BRPI0717991A2 - MICROUSINATED ELECTROLYTE BOARD, CELL-TO-FUEL DEVICES USING THE SAME, AND MICROUSINATION METHOD FOR PRODUCTION OF CELL-TO-FUEL DEVICES. - Google Patents

MICROUSINATED ELECTROLYTE BOARD, CELL-TO-FUEL DEVICES USING THE SAME, AND MICROUSINATION METHOD FOR PRODUCTION OF CELL-TO-FUEL DEVICES. Download PDF

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William C Blanchard
Sean M Garner
Thomas D Ketcham
Xinghua Li
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Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para “PLACA DE ELETRÓLITO MICROUSINADA, DISPOSITIVOS DE CÉLULA A COMBUSTÍVEL UTILIZANDO A MESMA, E MÉTODO DE MICROU SINAGEM PARA PRODUÇÃO DE DISPOSITIVOS DE CÉLULA A COMBUSTÍVEL”.DETAILED DESCRIPTION REPORT FOR "MICROUSINATED ELECTROLYTE BOARD, CELL TO FUEL DEVICES USING THE SAME, AND MICROU SIGNING METHOD FOR PRODUCTION OF CELL TO FUEL DEVICES".

Antecedentes da InvençãoBackground of the Invention

Campo da InvençãoField of the Invention

A presente invenção se refere, em geral, a eletrólitos cerâmicos e a dispositivos de célula a combustível utilizando os mesmos, e à microusinagem a laser de placas de eletrólito e dispositivos de célula a combustível baseada em óxido sólido de múltiplas células.The present invention relates generally to ceramic electrolytes and fuel cell devices using them, and to laser micromachining of electrolyte plates and multi-cell solid oxide fuel cells.

Fundamento TécnicoTechnical Background

A presente invenção se refere a partículas formadas pelo processamento a laser de placas de eletrólito de célula a combustível baseada em óxido sólido, bem como à fabricação de células a combustível baseada em óxido sólido suportadas em eletrólito e a dispositivos de célula a combustível.The present invention relates to particles formed by laser processing of solid oxide based fuel cell electrolyte plates, as well as the manufacture of electrolyte supported solid oxide fuel cells and fuel cell devices.

São conhecidos dispositivos de célula a combustível baseada em óxido sólido incorporando placas de eletrólito cerâmicas flexíveis. Em tais dispositivos de célula a combustível, geralmente uma ou mais placas de eletrólito são suportadas dentro de um invólucro, sobre uma estrutura, ou entre um par de conjuntos de montagem, que podem ser um quadro ou um bloco distribuidor. As placas de eletrólito podem ser utilizadas em um projeto com múltiplas células ou de célula única.Solid oxide-based fuel cell devices incorporating flexible ceramic electrolyte plates are known. In such fuel cell devices, generally one or more electrolyte plates are supported within a housing, over a frame, or between a pair of mounting assemblies, which may be a frame or a distributor block. Electrolyte plates can be used in a multi-cell or single-cell design.

Uma abordagem comum utiliza um dispositivo de célula a combustível que consiste de um projeto de única 5 célula, em que o componente mais espesso da célula a combustível é uma camada de anodo. Essa camada de anodo age tanto como um suporte quanto como um catalisador e pode ter de 100 a 1000 micra de espessura e é geralmente formada de um composto de níquel e zircônia estabilizada com ítria. Tais células ío únicas também incluem uma camada fina de eletrólito sobrepondo a camada d anodo, e uma camada de catodo sobrepondo o eletrólito.One common approach utilizes a fuel cell device consisting of a single cell design, wherein the thickest component of the fuel cell is an anode layer. This anode layer acts as both a support and a catalyst and may be 100 to 1000 microns thick and is generally formed of an yttria stabilized nickel and zirconia compound. Such single cells also include a thin electrolyte layer overlaying the anode layer, and a cathode layer overlaying the electrolyte.

Em um projeto de múltiplas células, tal como o revelado na Patente U.S. 6.622.881 designado à Corning Incorporated, o dispositivo de célula a combustível inclui uma placa de eletrólito na forma de uma placa fina de cerâmica (por exemplo, zircônia tratada com óxido de ítrio (Y2O3)). A placa de eletrólito baseada em zircônia pode ter 20 a 30 micra de espessura. Geralmente, a placa de eletrólito baseada em zircônia tratada suporta várias células, cada uma das quais é formada por uma camada de anodo e catodo em qualquer um dos lados da placa de zircônia tratada. A placa de eletrólito fina pré- sinterizada pode suportar único par de anodo e catodo, formando assim um dispositivo de uma célula, ou vários anodos e catodos, e várias células são fabricadas em um substrato de eletrólito comum e são interconectadas através da espessura da placa de eletrólito pelo condutor via conectores (vias).In a multi-cell design, such as that disclosed in US Patent 6,622,881 to Corning Incorporated, the fuel cell device includes an electrolyte plate in the form of a thin ceramic plate (e.g., zirconia treated with oxide). Yttrium (Y 2 O 3)). The zirconia-based electrolyte plate can be 20 to 30 microns thick. Generally, the treated zirconia-based electrolyte plate supports several cells, each of which is formed by an anode and cathode layer on either side of the treated zirconia plate. The pre-sintered thin electrolyte plate can support a single anode and cathode pair, thus forming a single cell device, or multiple anodes and cathodes, and multiple cells are fabricated on a common electrolyte substrate and are interconnected across the plate thickness. electrolyte by the conductor via connectors (pathways).

De modo a evitar o rompimento das placas de eletrólito, o processo de fabricação do dispositivo de célula a combustível geralmente utiliza perfuração mecânica dos furos de passagem e o corte mecânico das bordas do dispositivo enquanto a placa de eletrólito está no estado não queimado. O processo de perfurar mecanicamente as placas de eletrólito cerâmicas não queimadas exige prever o encolhimento por sinterização de um lote de eletrólitos em particular em condições específicas do forno. Se a previsão estiver desativada, os furos de passagem perfurados ficarão desalinhados após a sinterização. Após a perfuração e o corte, o eletrólito é queimado e geralmente passa por um encolhimento linear de 15% a 30% devido ao processo de desvinculação e sinterização. As peças maiores do eletrólito exigem melhor precisão nos valores de encolhimento para manter as tolerâncias necessárias para a fabricação do dispositivo, especialmente com dispositivos de múltiplas células. Por exemplo, um eletrólito com comprimento de 50 cm e tolerâncias de posicionamento de furo de +/- 200 μηι no estado sinterizado corresponde a prever o encolhimento do eletrólito em mais de 0,05%. A perfuração e corte mecânico do eletrólito não queimado impõe limitações sobre a velocidade da fabricação, o tamanho dos detalhes, e a qualidade dos vincos e dobras produzidos. Além disso, a usinagem das peças no estado não queimado exige a previsão precisa do encolhimento das peças para manter as tolerâncias dimensionais. Tal previsão é muito difícil de se realizar com a precisão desejada e exige que dispositivos reais sejam sacrificados para teste.In order to avoid rupture of the electrolyte plates, the fuel cell device manufacturing process generally utilizes mechanical drilling of the through holes and mechanical cutting of the device edges while the electrolyte plate is in the unburned state. The process of mechanically drilling unburned ceramic electrolyte plates requires predicting sintering shrinkage of a particular batch of electrolytes under specific furnace conditions. If forecasting is disabled, drilled through holes will be misaligned after sintering. After drilling and cutting, the electrolyte is burned and generally undergoes a linear shrinkage of 15% to 30% due to the decoupling and sintering process. Larger electrolyte parts require better accuracy of shrinkage values to maintain the tolerances required for device manufacturing, especially with multi-cell devices. For example, an electrolyte with a length of 50 cm and bore positioning tolerances of +/- 200 μηι in the sintered state is expected to shrink the electrolyte by more than 0.05%. The drilling and mechanical cutting of unburned electrolyte imposes limitations on the speed of fabrication, the size of the details, and the quality of the creases and folds produced. In addition, machining parts in the unburned state requires precise prediction of part shrinkage to maintain dimensional tolerances. Such prediction is very difficult to perform with the desired accuracy and requires real devices to be sacrificed for testing.

O uso geral da microusinagem a laser de 5 cerâmicas espessas é conhecido. Ele é aplicável à usinagem de peças cerâmicas volumosas com espessuras de 250 μηι ou mais, e não filmes finos de eletrólito de espessura menor do que 50 μηι. As placas de eletrólito sinterizadas baseadas em zircônia fina (menor do que 50 μηι) são quebradiças quando são cortadas e/ou io perfuradas por meios mecânicos, devido à formação de rachaduras.The general use of 5 thick ceramic laser micro machining is known. It is applicable to the machining of large ceramic tiles with thicknesses of 250 μηι or more, and not thin electrolyte films of thickness less than 50 μηι. Thin zirconia-based sintered electrolyte plates (less than 50 μηι) are brittle when they are cut and / or perforated by mechanical means due to crack formation.

O processo de formação de furos de passagem em substratos cerâmicos sinterizados para componentes eletrônicos é descrito na Patente US 6,270,601. A presente patente revela o uso de perfuração mecânica ou a laser de substratos cerâmicos sinterizados espessos com espessuras de 3 a 60 milésimos de polegada (76,2 a 1524 μηι). A presente referência sugere que a perfuração a laser de peças de cerâmicas sinterizadas pode ser alcançada tanto pelo uso de CO2 quanto de sistemas de laser de excímero. Não são apresentados detalhes sobre como usinar a laser furos de passagem em placas de eletrólito sinterizadas. Os titulares tentaram utilizar laser de CO2 na perfuração de placas de eletrólito de cerâmica baseada em zircônia fina, mas não tiveram êxito devido ao grande número de fissuras criadas pelos efeitos térmicos. A Patente US 6,270,601 também não deu nenhuma orientação sobre como utilizar o laser de excímero para cortar ou perfurar corretamente as placas de eletrólito.The process of forming through holes in sintered ceramic substrates for electronic components is described in US Patent 6,270,601. The present invention discloses the use of mechanical or laser drilling of thick sintered ceramic substrates with thicknesses from 3 to 60 thousandths of an inch (76.2 to 1524 μηι). The present reference suggests that laser drilling of sintered ceramic parts can be achieved by using both CO2 and excimer laser systems. No details are given on how to laser drill through holes in sintered electrolyte plates. The holders tried to use CO2 laser to drill thin zirconia-based ceramic electrolyte plates, but were unsuccessful due to the large number of cracks created by thermal effects. US Patent 6,270,601 also gave no guidance on how to use the excimer laser to properly cut or puncture electrolyte plates.

A publicação da patente US N- 2002/0012825 descreve uma placa de eletrólito de célula a combustível com detalhes tridimensionais microusinados sobre sua superfície. Esse pedido não ensina ou sugere que é possível usinar a laser as placas de eletrólito após a sinterização.US Patent Publication No. 2002/0012825 describes a fuel cell electrolyte plate with three dimensional micro-details on its surface. This application does not teach or suggest that electrolyte plates can be laser-machined after sintering.

As tentativas anteriores de produzir eletrólitos planos de espessura maior do que 50 μηι resultaram em ío ondulações ou covinhas e rebarbas nas bordas, como descrito na Patente Européia EP 1063212B1. Essa referência revela o empilhamento de placas de eletrólito durante a sinterização, para limitar a altura das ondulações e rebarbas a menos de 100 μηι. A referência ensina que as placas de zircônia e outras placas cerâmicas são quebradiças quando sujeitas a forças externas em uma direção de curvatura. Em contrapartida, as células a combustível formadas de eletrólito flexível fino podem resistir a curvatura significativa sem falha. No entanto, elas também podem desenvolver ondulações de borda quando sinterizadas, e a ondulação de borda pode produzir tensão, e fraturar a placa quando a ondulação for aplainada.Previous attempts to produce flat electrolytes thicker than 50 μηι have resulted in dimples or dimples and burrs at the edges as described in European Patent EP 1063212B1. This reference reveals the stacking of electrolyte plates during sintering to limit the height of undulations and burrs to less than 100 μηι. The reference teaches that zirconia plates and other ceramic plates are brittle when subjected to external forces in a bending direction. In contrast, fuel cells formed of thin flexible electrolyte can withstand significant curvature without failure. However, they can also develop edge undulations when sintered, and edge undulation can produce stress, and fracture the plate when the undulation is flattened.

Sumário da InvençãoSummary of the Invention

A presente invenção utiliza microusinagem a laser das placas de eletrólito sinterizadas e dispositivos de célula a combustível de modo a cortar as placas de eletrólito e/ou os componentes do dispositivo para dimensionar ou aparar as bordas da placa de eletrólito sinterizada ou dispositivos de célula a combustível, e/ou produzir furos de passagem e modificações ou padrões de superfície.The present invention utilizes laser micro-machining of sintered electrolyte plates and fuel cell devices to cut electrolyte plates and / or device components to size or trim the edges of sintered electrolyte plate or fuel cell devices. , and / or produce through holes and surface modifications or patterns.

De acordo com um aspecto da presente 5 invenção, uma placa de eletrólito sinterizada compreende: um corpo cuja espessura não passa de 45 μπι, e detalhes microusinados tendo pelo menos uma superfície de borda apresentando pelo menos 10% de ablação. De acordo com uma concretização, essa superfície de borda apresenta mais de 50% de ío fratura e menos de 50% de ablação.According to an aspect of the present invention, a sintered electrolyte plate comprises: a body whose thickness is no more than 45 μπι, and micro-machined details having at least one edge surface having at least 10% ablation. According to one embodiment, this edge surface has more than 50% fracture and less than 50% ablation.

De acordo com uma concretização da presente invenção, o método de microusinagem de uma placa de eletrólito compreende: (i) suportar uma placa de eletrólito sinterizada; (ii) microusinar a placa de eletrólito com um laser, em que o referido laser tem um comprimento de onda de menos de 2 μηι, fluência de menos de 200 Joules/cm2, e taxa de repetição (RR) entre 30 Hz e 200 KHz. De preferência a velocidade de corte é maior do que mm/seg. De preferência, o comprimento de onda do laser é menor que 400 nm, a taxa de repetição (RR) está entre 30 KHz e 2 00 KHz. Em algumas concretizações, a fluência do laser é menor do que 30 Joules/cm . De acordo com algumas concretizações, o processo de microusinagem a laser combina a ablação e a autoclivagem (autofratura) em uma só ocorrência e aumenta a capacidade de velocidade de corte. De acordo com algumas concretizações, o laser é um laser n (duração de pulso <1 μ8, por exemplo, de 1 a 100 ns). De acordo com algumas concretizações, este laser é um laser de 355 nm.According to one embodiment of the present invention, the method of micro machining an electrolyte plate comprises: (i) supporting a sintered electrolyte plate; (ii) microplating the electrolyte plate with a laser, wherein said laser has a wavelength of less than 2 μηι, a fluency of less than 200 Joules / cm2, and a repetition rate (RR) of between 30 Hz and 200 KHz. . Preferably the cutting speed is greater than mm / sec. Preferably, the laser wavelength is less than 400 nm, the repetition rate (RR) is between 30 KHz and 200 KHz. In some embodiments, the laser creep is less than 30 Joules / cm. According to some embodiments, the laser micro-machining process combines ablation and self-cleavage into one occurrence and increases cutting speed capability. According to some embodiments, the laser is an n laser (pulse duration <1 μ8, for example, from 1 to 100 ns). According to some embodiments, this laser is a 355 nm laser.

O método revelado é aplicável à fabricação de detalhes formados pela microusinagem a laser de dispositivos de 5 célula a combustível de múltiplas células suportados em eletrólito, sendo aplicável à microfratura de dispositivos SOFC suportados em eletrólito flexível. Como mencionado acima, o referido método é aplicável ao corte, moldagem e perfuração de eletrólitos de célula a combustível baseada em óxido sólido com menos de ío 45 μηι de espessura e possibilita novos projetos e processos de fabricação dos dispositivos de célula a combustível.The disclosed method is applicable to the fabrication of details formed by laser micro-machining of electrolyte supported multi-cell fuel cell devices, and is applicable to microfracture of flexible electrolyte supported SOFC devices. As mentioned above, said method is applicable to the cutting, shaping and drilling of solid oxide-based fuel cell electrolytes less than 45 μηι in thickness and enables new designs and manufacturing processes of fuel cell devices.

Uma vantagem da presente invenção é que ela permite de forma vantajosa a fabricação de novos projetos de célula a combustível, e/ou aumenta de maneira vantajosa o rendimento da fabricação e a resistência dos dispositivos de célula a combustível atuais. Mais especificamente, a velocidade, precisão de colocação e qualidade resultante da(s) borda(s) da placa de eletrólito permite flexibilidade no projeto do dispositivo, na manipulação e melhor resistência das bordas da placa de eletrólito. De preferência, a rugosidade de superfície das regiões microusinadas a laser é menor do que 0,5 Dm RMS, mais preferencialmente, menor do que 0,4 Dm RMS. De preferência, essa superfície apresenta rugosidade pico-vale menor do que 5,5 Dm, ou rugosidade de superfície Ra menor do que 0,3 Dm. Os dispositivos de célula a combustível também podem ser perfurados, cortados ou microusinados em variados momentos durante o processo de fabricação, resultando em dispositivos de célula a combustível com atributos únicos, tais como formatos de perímetro complexos ou padrões de furos de passagem, eletrodos ou outras camadas existentes até a borda do eletrólito, e regiões 5 finas do eletrólito com menos de 5 Dm de espessura. Esse processo de microusinagem pode ser utilizado a qualquer momento desejado após a sinterização do eletrólito, permitindo flexibilidade na fabricação do dispositivo. O método resultante resulta de forma vantajosa em dispositivos e placas de eletrólito ío que possuem aperfeiçoamentos surpreendentes no quesito planeza e resistência.An advantage of the present invention is that it advantageously enables the manufacture of new fuel cell designs, and / or advantageously increases the manufacturing throughput and strength of current fuel cell devices. More specifically, the speed, placement accuracy, and quality resulting from the electrolyte plate edge (s) allows for flexibility in device design, handling, and improved resistance of the electrolyte plate edges. Preferably, the surface roughness of the laser micro-machined regions is less than 0.5 Dm RMS, more preferably less than 0.4 Dm RMS. Preferably, this surface has peak-to-valley roughness of less than 5.5 Dm, or Ra surface roughness of less than 0.3 Dm. Fuel cell devices can also be drilled, cut or micro-machined at various times during the manufacturing process, resulting in unique fuel cell devices such as complex perimeter shapes or through-hole, electrode or other patterns. layers to the edge of the electrolyte, and 5 thin regions of the electrolyte less than 5 Dm thick. This micromachining process can be used at any time desired after electrolyte sintering, allowing flexibility in device manufacturing. The resulting method advantageously results in electrolyte devices and plates having surprising improvements in the flatness and strength.

De acordo com uma concretização da presente invenção, a usinagem a laser de dispositivos de célula única e múltiplas células pode ser realizada após a vedação ou montagem do(s) dispositivo(s) de célula a combustível em uma estrutura de suporte ou distribuição, e resulta em melhor: resistência das bordas da placa de eletrólito, planeza do dispositivo, qualidade das bordas, vincos menores e em menor quantidade, minimização das ondulações de borda da placa de eletrólito, e rendimento e tempo de produção. De acordo com outra concretização, a microusinagem também pode ser realizada para cortar placas de eletrólito, em que múltiplos dispositivos de célula a combustível são desenhados em padrão (por exemplo, impressos) em uma única placa de eletrólito e as placas de eletrólito são então opcionalmente usinadas a laser para produzir múltiplos dispositivos, economizando assim tempo e mão-de-obra. O método de microusinagem a laser permite, de forma vantajosa, a microusinagem do eletrólito no estado sinterizado, em vez de antes da queima. Isso elimina a necessidade de prever precisamente o encolhimento durante a 5 queima e sinterização do aglutinante. Além disso, também elimina a necessidade de que esse encolhimento seja uniforme ao longo de toda a placa de eletrólito.According to one embodiment of the present invention, laser machining of single cell and multiple cell devices may be performed after sealing or mounting the fuel cell device (s) in a support or distribution structure, and results in better: electrolyte plate edge strength, device flatness, edge quality, minor and minor creases, minimization of electrolyte plate edge curl, and yield and production time. According to another embodiment, micro-machining may also be performed to cut electrolyte plates, where multiple fuel cell devices are drawn in pattern (for example, printed) on a single electrolyte plate and the electrolyte plates are then optionally. laser machined to produce multiple devices, thus saving time and labor. The laser micro-machining method advantageously allows micro-machining of the electrolyte in the sintered state rather than before firing. This eliminates the need to accurately predict shrinkage during binder burning and sintering. In addition, it also eliminates the need for such shrinkage to be uniform throughout the entire electrolyte plate.

Breve Descrição dos Desenhos:Brief Description of Drawings:

A Figura IA ilustra a absorção da zircônia em função do comprimento de onda.Figure 1A illustrates zirconia absorption as a function of wavelength.

A Figura IB ilustra esquematicamente o processo de sulcar uma placa de eletrólito com um feixe de laser.Figure IB schematically illustrates the process of grooving an electrolyte plate with a laser beam.

A Figura IC ilustra um furo de passagem de acordo com uma concretização da presente invenção.Figure IC illustrates a through hole in accordance with one embodiment of the present invention.

As Figuras 2a e 2b são vistas em corteFigures 2a and 2b are sectional views

transversal esquemática de exemplos de furos de passagem obtidos com a microusinagem a laser. A Figura 2a ilustra um furo de passagem perfurado através de uma placa de eletrólito. A Figura 2b ilustra um furo de passagem exemplificativo perfurado através da placa de eletrólito e um anodo.cross-section of examples of through-holes obtained with laser micro-machining. Figure 2a illustrates a through hole drilled through an electrolyte plate. Figure 2b illustrates an exemplary through hole drilled through the electrolyte plate and an anode.

A Figura 3 ilustra esquematicamente a utilização da microusinagem a laser para cortar múltiplos dispositivos de célula a combustível fabricados em um substrato de placa de eletrólito comum.Figure 3 schematically illustrates the use of laser micro-machining to cut multiple fuel cell devices fabricated on a common electrolyte plate substrate.

A Figura 4 ilustra esquematicamente uma vistaFigure 4 schematically illustrates a view

em corte transversal de um dispositivo de célula a combustível com o(s) anodo(s) e catodo(s) situado9s) a menos de 5 mm da borda da placa do eletrólito.cross-section of a fuel cell device with anode (s) and cathode (s) located less than 5 mm from the edge of the electrolyte plate.

A Figura 5 ilustra um sistema de corte a laser de acordo com uma concretização da presente invenção.Figure 5 illustrates a laser cutting system in accordance with one embodiment of the present invention.

As Figuras 6a e 6b são fotografias de um furoFigures 6a and 6b are photographs of a hole

de passagem microusinado a laser exemplificativo em uma placa de eletrólito sinterizada. A Figura 6a é uma fotografia da superfície superior da placa de eletrólito sinterizada (isto é, a superfície sobre a qual o feixe de laser incidiu) e a Figura 6b é ío uma fotografia da superfície inferior da placa de eletrólito sinterizada (isto é, a superfície da qual o feixe de laser saiu).laser micro-machined passageway on a sintered electrolyte plate. Figure 6a is a photograph of the upper surface of the sintered electrolyte plate (i.e., the surface on which the laser beam has focused) and Figure 6b is a photograph of the lower surface of the sintered electrolyte plate (i.e. the surface from which the laser beam exited).

As Figuras 7a e 7b são fotos SEM de bordas microusinadas a laser na placa de eletrólito sinterizada. A Figura 7a é uma vista superior (superfície sobre a qual o laser incidiu) e a Figura 7b é uma vista em corte transversal da face da borda microusinada.Figures 7a and 7b are SEM photos of laser microplated edges on the sintered electrolyte plate. Figure 7a is a top view (surface on which the laser focused) and Figure 7b is a cross-sectional view of the micro-edge edge face.

A Figura 8 ilustra outro sistema de corte aFigure 8 illustrates another cutting system to

laser.laser.

As Figuras 9a a 9c são imagens SEM de uma 20 borda cortada a laser de uma placa de eletrólito sinterizada exemplificativa. A Figura 9a ilustra uma vista em corte transversal de uma borda cortada a laser. A Figura 9b ilustra o perfil de borda de uma borda cortada a laser (se afastando da imagem). A Figura 9c é similar à da Figura 9a, mas apresenta 25 uma ampliação maior de uma seção transversal da borda cortada a laser. Ela também ilustra os efeitos dos pulsos de laser individuais na região de ablação superior.Figures 9a to 9c are SEM images of a laser cut edge of an exemplary sintered electrolyte plate. Figure 9a illustrates a cross-sectional view of a laser cut edge. Figure 9b illustrates the edge profile of a laser cut edge (away from the image). Figure 9c is similar to Figure 9a, but shows a larger magnification of a laser cut edge cross section. It also illustrates the effects of individual laser pulses on the upper ablation region.

As Figuras IOa a IOc são representações gráficas da rugosidade de superfície das bordas da placa de eletrólito microusinadas por um laser ns.Figures 10a to 10c are graphical representations of the surface roughness of the edges of the electrolyte plate micro-machined by an ns laser.

As Figuras Ila a Ilc são representações gráficas da rugosidade de superfície das bordas da placa de eletrólito microusinadas por um laser fs.Figures 1a to 2c are graphical representations of the surface roughness of the edges of the electrolyte plate micro-fined by an fs laser.

As Figuras 12a e 12b são perfis de linha XPS ío mostrando a alteração nas concentrações relativas de ítrio e zircônio. A Figura 12a é uma varredura de linha iniciando na borda sinterizada e cortada mecanicamente. A Figura 12b é uma varredura de linha iniciando em uma borda de placa de eletrólito sinterizada microusinada a laser.Figures 12a and 12b are XPS line profiles showing the change in relative concentrations of yttrium and zirconium. Figure 12a is a line scan starting at the sintered and mechanically cut edge. Figure 12b is a line scan starting at an edge of a laser micro-sintered sintered electrolyte plate.

As Figuras 13a a 13c são imagens SEM de umaFigures 13a to 13c are SEM images of a

borda cortada a laser de uma placa de eletrólito sinterizada exemplificativa. A Figura 13a ilustra uma vista em corte transversal de uma borda cortada a laser. A Figura 13b é similar à Figura 13a, mas apresenta uma ampliação maior de uma seção 20 transversal da borda cortada a laser. Ela também ilustra os efeitos dos pulsos de laser individuais na região de ablação superior. A Figura 13c ilustra o perfil de borda de uma borda cortada a laser (se afastando da imagem).laser cut edge of an exemplary sintered electrolyte plate. Figure 13a illustrates a cross-sectional view of a laser cut edge. Figure 13b is similar to Figure 13a, but shows a larger magnification of a laser cut edge cross-section 20. It also illustrates the effects of individual laser pulses on the upper ablation region. Figure 13c illustrates the edge profile of a laser cut edge (away from the image).

As Figuras 14a e 14b são perfis de linha XPS mostrando a alteração nas concentrações relativas de ítrio e zircônio. A Figura 14b é uma varredura de linha iniciando em uma borda de placa de eletrólito sinterizada microusinada a laser. A Figura 14b é uma varredura de linha iniciando na borda sinterizada e cortada mecanicamente.Figures 14a and 14b are XPS line profiles showing the change in relative concentrations of yttrium and zirconium. Figure 14b is a line scan starting at a laser micro-sintered sintered electrolyte plate edge. Figure 14b is a line scan starting at the sintered and mechanically cut edge.

As Figuras 15a a 15c são imagens SEM de uma 5 borda cortada a laser de uma placa de eletrólito sinterizada exemplificativa. A Figura 15a ilustra uma vista em corte transversal de uma borda cortada a laser. A Figura 15b é similar à Figura 15a, mas apresenta uma ampliação maior de uma seção transversal da borda cortada a laser. A Figura 15c ilustra o perfil ío de borda de uma borda cortada a laser (se afastando da imagem).Figures 15a-15c are SEM images of a laser cut edge of an exemplary sintered electrolyte plate. Figure 15a illustrates a cross-sectional view of a laser cut edge. Figure 15b is similar to Figure 15a, but shows a larger magnification of a laser cut edge cross section. Figure 15c illustrates the edge profile of a laser cut edge (away from the image).

As Figuras 16a a 16c são imagens SEM de uma borda cortada a laser de uma placa de eletrólito sinterizada exemplificativa. A Figura 16a ilustra uma vista em corte transversal de uma borda cortada a laser. A Figura 16b é similar 15 à Figura 16a, mas apresenta uma ampliação maior de uma seção transversal da borda cortada a laser. Ela também ilustra os efeitos dos pulsos de laser individuais na região de ablação superior. A Figura 16b ilustra o perfil de borda de uma borda cortada a laser (se afastando da imagem).Figures 16a-16c are SEM images of a laser cut edge of an exemplary sintered electrolyte plate. Figure 16a illustrates a cross-sectional view of a laser cut edge. Figure 16b is similar to Figure 16a, but shows a larger magnification of a laser cut edge cross section. It also illustrates the effects of individual laser pulses on the upper ablation region. Figure 16b illustrates the edge profile of a laser cut edge (away from the image).

A Figura 17 mostra gráficos de probabilidadeFigure 17 shows probability plots

da resistência de borda mostrando as distribuições de Weibull para amostras de eletrólito microusinadas a laser e cortadas mecanicamente, medidas por curvatura de 2 pontos.of edge resistance showing Weibull distributions for laser-cut and mechanically cut electrolyte samples measured by 2-point curvature.

As Figuras 18a a 18c são imagens de microscópio óptico de furos de passagem exemplificativos perfurados através de placas de eletrólito sinterizadas. A Figura 19 ilustra padrões de pulso de laser utilizados em um método de perfuração de múltiplos passes.Figures 18a to 18c are optical microscope images of exemplary through holes drilled through sintered electrolyte plates. Figure 19 illustrates laser pulse patterns used in a multipass drilling method.

As Figuras 20a e 20b são fotografias de um furo de passagem microusinado a laser exemplificativo em uma 5 placa de eletrólito sinterizada. A Figura 20a é uma fotografia da superfície superior da placa de eletrólito sinterizada (isto é, a superfície sobre a qual o feixe de laser incidiu) e a Figura 20b é uma fotografia da superfície de seção transversal da placa de eletrólito sinterizada. ío As Figuras 21a a 21f são fotografias de outrosFigures 20a and 20b are photographs of an exemplary laser micro-machined through hole in a sintered electrolyte plate. Figure 20a is a photograph of the upper surface of the sintered electrolyte plate (i.e., the surface on which the laser beam has focused) and Figure 20b is a photograph of the cross-sectional surface of the sintered electrolyte plate. Figures 21a to 21f are photographs of other

furos de passagem microusinados a laser exemplificativos em uma placa de eletrólito sinterizada. As Figuras 21a, b e c são fotografias das superfícies superiores da placa de eletrólito sinterizada (isto é, a superfície sobre a qual o feixe de laser 15 incidiu) e as Figuras 21b, d, f são fotografias da superfície de seção transversal da placa de eletrólito sinterizada.Example laser micro-machined through holes in a sintered electrolyte plate. Figures 21a, b and c are photographs of the upper surfaces of the sintered electrolyte plate (i.e., the surface on which the laser beam 15 has focused), and Figures 21b, d, f are photographs of the cross-sectional surface of the electrolyte plate. sintered.

A Figura 22 mostra gráficos de contorno de borda (parte superior) da placa de eletrólito após a sinterização e corte mecânico, e (parte inferior) após remover 2 mm da borda com microusinagem a laser.Figure 22 shows edge contour plots (top) of the electrolyte plate after sintering and mechanical cutting, and (bottom) after removing 2 mm from the edge with laser micro-machining.

As Figuras 23a e 23b são imagens SEM de um furo de 60 μηι microusinado com um laser de femtosegundo em uma placa de eletrólito sinterizada. A Figura 23a é uma fotografia do lado superior (onde incide o laser) e a Figura 23b é uma fotografia do lado inferior (saída do feixe de laser). As Figuras 24a e 24b são imagens SEM das bordas de placas de eletrólito baseado em zircônia sinterizadas. A Figura 24a ilustra uma superfície da borda da placa de eletrólito que foi mecanicamente cortada (no estado bruto) antes da 5 sinterização. A Figura 24b ilustra a borda sinterizada cortada a laser (microusinada). O comprimento da barra de escala é de 10 μηι.Figures 23a and 23b are SEM images of a 60 μηι microplated hole with a femtosecond laser in a sintered electrolyte plate. Figure 23a is a photograph of the upper side (where the laser falls) and Figure 23b is a photograph of the lower side (laser beam output). Figures 24a and 24b are SEM images of the edges of sintered zirconia-based electrolyte plates. Figure 24a illustrates an electrolyte plate edge surface that was mechanically cut (in the raw state) prior to sintering. Figure 24b illustrates the laser cut sintered (micro-machined) edge. The length of the scale bar is 10 μηι.

A Figura 25 mostra gráficos de probabilidade da resistência mostrando as distribuições de Weibull para ío eletrólitos microusinados a laser e cortados mecanicamente, medidas por curvatura de 2 pontos.Figure 25 shows resistance probability graphs showing Weibull distributions for laser-cut and mechanically cut electrolyte electrolytes, measured by 2-point curvature.

As Figuras 26a a 26c ilustram esquematicamente a microusinagem a laser da superfície do eletrólito. A Figura 26a ilustra uma placa de eletrólito com uma 15 única camada de eletrodo, a Figura 26b ilustra um detalhe microusinado a laser, a Figura 26c ilustra um dispositivo de célula a combustível com um segundo eletrodo situado sobre o detalhe microusinado (janela).Figures 26a-26c schematically illustrate laser micromachining of the electrolyte surface. Figure 26a illustrates a single electrode layer electrolyte plate, Figure 26b illustrates a laser micro-machined detail, Figure 26c illustrates a fuel cell device with a second electrode situated over the micro-machined detail (window).

As Figuras 27a a 27d são fotografias de superfícies de eletrólito sinterizadas microusinadas a laser exemplificativas.Figures 27a to 27d are photographs of exemplary laser micro-sintered sintered electrolyte surfaces.

Descrição Técnica Detalhada da Invenção:Detailed Technical Description of the Invention:

De acordo com algumas concretizações, um método de microusinagem a laser das placas de eletrólito de célula a combustível 100 e dos dispositivos de célula a combustível 150 inclui as etapas de: (i) suportar uma placa de eletrólito sinterizada ou dispositivo de célula a combustível; (ii) microusinar a placa de eletrólito ou o dispositivo de célula a combustível com um laser 160 a uma velocidade de corte de mais de 20 mm/seg, de preferência mais de 30 mm/seg, e mais 5 preferencialmente mais de 35 mm/seg; em que o referido laser 160 tem um comprimento de onda de menos de 2 μηι; potência óptica de mais de 2W, e/ou fluência de laser de menos de 3 Joules/cm2; e taxa de repetição (RR) entre 30 Hz e I MHz. De preferência, o comprimento de onda do laser é menor que 400 nm, ío e ainda mais preferencialmente menor do que 300 nm, e a taxa de repetição (RR) está entre 30 KHz e 200 KHz. Em algumas concretizações, a fluência do laser é menor do que 400 Joules/cm , por exemplo, 350 Joules/cm ou menos, ou ainda menos que 26 Joules/cm2. Em algumas concretizações, o 15 comprimento de onda do laser é 355 nm, em outras concretizações, o comprimento de onda do laser está na faixa de 200 nm a 300 nm.According to some embodiments, a laser micromachining method of fuel cell electrolyte plates 100 and fuel cell devices 150 includes the steps of: (i) supporting a sintered electrolyte plate or fuel cell device; (ii) microplating the electrolyte plate or fuel cell device with a laser 160 at a cutting speed of more than 20 mm / sec, preferably more than 30 mm / sec, and more preferably more than 35 mm / sec. Mon; wherein said laser 160 has a wavelength of less than 2 μηι; optical power of more than 2W, and / or laser fluency of less than 3 Joules / cm2; and repetition rate (RR) between 30 Hz and I MHz. Preferably, the laser wavelength is less than 400 nm, and even more preferably less than 300 nm, and the repetition rate (RR) is between 30 KHz and 200 KHz. In some embodiments, the laser creep is less than 400 Joules / cm, for example 350 Joules / cm or less, or even less than 26 Joules / cm2. In some embodiments, the laser wavelength is 355 nm, in other embodiments, the laser wavelength is in the range 200 nm to 300 nm.

Este método pode ser aplicado com êxito a placas de eletrólito cerâmicas flexíveis com espessura de 45 μηι 20 ou menos e, de forma vantajosa, não produz microfissura significativa nas superfícies microusinadas ou adjacente a elas. Por exemplo, este método pode ser utilizado com placas de eletrólito cerâmicas sinterizadas finas 100 (por exemplo, placas de eletrólito baseadas em zircônia) para produzir furos de passagem 25 102, bordas cortadas 103 e padrões de superfície 105 (por exemplo, microjanelas). De acordo com algumas concretizações (descritas abaixo), esse método tem como resultado a placa de eletrólito 100 com detalhes usinados a laser 102, 103, 105 possuindo pelo menos uma superfície de borda 104 com pelo menos 10% de ablação (região HO). De acordo com pelo menos 5 uma concretização, essa superfície de borda apresenta mais de 50% de fratura (região 112) e menos de 50% de ablação. De acordo com algumas concretizações, a rugosidade de superfície da superfície da borda microusinada a laser 104 é menor do que 0,5 □ m RMS, mais preferencialmente, menor do que 0,4 Dm RMS. ío De preferência, a superfície de borda 104 apresenta rugosidade pico-vale menor do que 5,5 Dm, ou rugosidade de superfície Ra menor do que 0,3 Dm. De acordo com algumas concretizações, a rugosidade de superfície pico-vale da placa de eletrólito em uma região da superfície de borda microusinada a laser (na borda) é de 15 0,2 a 5,5 Dm, de preferência 1 a 5 Dm, mais preferencialmente menos de 4 Dm. De acordo com algumas concretizações, a superfície microusinada a laser 104 tem tamanho de grânulo de cristal médio menor do que I Dm. De acordo com algumas concretizações, a região de superfície fraturada 112 tem tamanho 20 de grânulo de cristal médio menor do que o dos cristais na zona de transição 114 entre a região de fratura e a região de ablação.This method can be successfully applied to flexible ceramic electrolyte plates with a thickness of 45 μηι 20 or less and advantageously does not produce significant microfissure on or adjacent to the micro-milled surfaces. For example, this method may be used with thin sintered ceramic electrolyte plates 100 (e.g. zirconia-based electrolyte plates) to produce through-holes 25 102, cut edges 103, and surface patterns 105 (e.g. microwindows). According to some embodiments (described below), this method results in electrolyte plate 100 with laser machined details 102, 103, 105 having at least one edge surface 104 with at least 10% ablation (HO region). According to at least one embodiment, said edge surface has more than 50% fracture (region 112) and less than 50% ablation. According to some embodiments, the surface roughness of the surface of the laser micro-machined edge 104 is less than 0.5 □ m RMS, more preferably less than 0.4 Dm RMS. Preferably, edge surface 104 exhibits peak-valley roughness less than 5.5 Dm, or Ra surface roughness less than 0.3 Dm. According to some embodiments, the peak valley trough surface roughness of the electrolyte plate in a laser micro-machined edge surface region (edge) is 15 0.2 to 5.5 Dm, preferably 1 to 5 Dm, more preferably less than 4 Dm. According to some embodiments, the laser micro-machined surface 104 has an average crystal bead size smaller than I Dm. According to some embodiments, the fractured surface region 112 has a smaller average crystal granule size 20 than that of the crystals in the transition zone 114 between the fracture region and the ablation region.

A microusinagem baseada na ruptura induzida a laser e/ou na ablação a laser utiliza pulsos de laser de alta intensidade fornecidos por um laser 160 para remover o material seletivamente. A microusinagem a laser pode ser feita, por exemplo, com lasers UV de pulso longo, lasers de pulso ultracurto, tais como lasers de pico-segundo (os) e femtosegundo (fs). Por exemplo, podemos utilizar lasers de pico-segundo, tais como os lasers de NdiYVO4 com um semeador em sincronização de modo e amplificadores de potência, ou lasers de femtosegundo, 5 tal como o laser de Ti:Safira com um sistema amplificador regenerativo; bem como lasers de fibra ultra-rápidos (isto é, com duração de pulso <100 os). Lasers de nanosegundo DPSS (“diode-pumped solid state” - Estado Sólido Bombeado por Diodo Laser) de nanosegundo, tais como o 3° (355 nm) e 4o (266 ío nm) harmônicos dos lasers de Nd:YAG e Nd:YV04, também são bem adequados ao método de microusinagem a laser de acordo com as concretizações da presente invenção.Laser induced rupture and / or laser ablation micromachining utilizes high intensity laser pulses provided by a laser 160 to selectively remove material. Laser micromachining can be done, for example, with long pulse UV lasers, ultra short pulse lasers such as peak-second lasers and femtosecond lasers. For example, we can use peak-second lasers, such as NdiYVO4 lasers with a mode synchronizing seed and power amplifiers, or femtosecond lasers, such as the Ti: Sapphire laser with a regenerative amplifier system; as well as ultra-fast fiber lasers (ie with pulse duration <100 os). Nanosecond nanosecond DPSS (Laser Diode Pumped Solid State) lasers, such as the 3rd harmonic (355 nm) and 4th (266 nm) of Nd: YAG and Nd: YV04 lasers , are also well suited to the laser micromachining method according to embodiments of the present invention.

A Figura Ia ilustra a absorção óptica relativa de placas de eletrólito baseadas em zircônia em função do comprimento de onda do laser. A absorção óptica da zircônia é caracterizada por relativamente pouca absorção em comprimentos de onda visíveis e dispersão significativa devido à natureza granular de múltiplos cristais do material. A microusinagem a laser com lasers UV de nanosegundo (<400 nm) ou UV profundo (<300 nm) tem a vantagem de produzir uma região afetada pelo calor pequena ou insignificativa, e detalhes com tamanho menor do que os obtidos usando lasers visíveis e infravermelhos. Os fótons dos lasers UV ou UV profundo são absorvidos pelo material almejado e possuem energia suficiente para decompor diretamente o material. A luz do laser UV e UV profundo pode ser ter seu foco reduzido a tamanhos limitados de difração menores e pode usinar detalhes menores do que a luz do laser visível e infravermelho.Figure 1a illustrates the relative optical absorption of zirconia-based electrolyte plates as a function of laser wavelength. Optical absorption of zirconia is characterized by relatively low absorption at visible wavelengths and significant dispersion due to the multi-crystal granular nature of the material. Laser micromachining with nanosecond (<400 nm) or deep UV (<300 nm) lasers has the advantage of producing a small or insignificant heat-affected region and smaller detail than those obtained using visible and infrared lasers. . The UV or deep UV laser photons are absorbed by the desired material and have sufficient energy to directly decompose the material. Deep UV and UV laser light can be reduced in focus to smaller limited diffraction sizes and can machine smaller details than visible and infrared laser light.

A microusinagem a laser com lasers de pulso ultracurto (<100 ps) também pode produzir detalhes pequenos com zona afetada pelo calor limitada (ou seja, pequena) ou sem nenhuma, embora o princípio subjacente da operação de microusinagem seja fundamentalmente diferente. Uma vez que a microusinagem a laser de pulsos ultracurtos se baseia na absorção não-linear de luz no material, o material alvo não precisa absorver ío diretamente a luz do laser. Em vez disso, o campo elétrico em um laser de pulsos ultracurtos é tão extremo que os elétrons iniciais livres no material-alvo são acelerador para criar uma cascata de elétrons livres através de colisões. A cascata dos elétrons livres resulta na decomposição do material-alvo. Uma vez que a usinagem a laser ultracurto se baseia na absorção não-linear, ela não se limita à difração. Detalhes tão pequenos quanto dezenas de nanômetros foram usinados usando esse método.Laser micromachining with ultra-short pulse (<100 ps) lasers can also produce small details with limited (ie small) or no heat-affected zone, although the underlying principle of micromachining operation is fundamentally different. Since ultra-short pulse laser micromachining is based on nonlinear light absorption in the material, the target material need not directly absorb the laser light. Instead, the electric field in an ultrashort pulse laser is so extreme that the initial free electrons in the target material are accelerating to create a cascade of free electrons through collisions. The cascade of free electrons results in the decomposition of the target material. Since ultra-short laser machining is based on nonlinear absorption, it is not limited to diffraction. Details as small as tens of nanometers were machined using this method.

As técnicas típicas usadas nas aplicações de perfuração/corte a laser dos furos de passagem (isto é, a 20 microusinagem a laser) de acordo com algumas concretizações são a perfuração por percussão, trepanação e a perfuração helicoidal. Na perfuração por percussão, o ponto focal do laser é fixo e uma série de pulsos de laser é utilizada para provocar a ablação do material. A técnica de trepanação é utilizada para 25 fabricar furos maiores, e é essencialmente um processo de perfuração por percussão ao longo de uma trajetória circular. Ao contrário da trepanação, a perfuração helicoidal alcança sua penetração somente após muitos giros da espiral descrevendo a trajetória da frente de ablação. A perfuração helicoidal (corte por microusinagem a laser) não se limita à geometria circular. Furos 5 de qualquer formato podem ser formados pelo uso de um dispositivo de varredura ou estágios de translação.Typical techniques used in through-hole drilling / laser cutting applications (i.e., 20 laser micro-machining) according to some embodiments are percussion drilling, trepanning, and helical drilling. In percussion drilling, the laser focal point is fixed and a series of laser pulses is used to ablate the material. Trepanning is used to make larger holes, and is essentially a percussion drilling process along a circular path. Unlike trepanning, the helical perforation reaches its penetration only after many turns of the spiral describing the trajectory of the ablation front. Helical drilling (laser cutting) is not limited to circular geometry. Holes 5 of any shape may be formed by the use of a sweeping device or stages of translation.

O corte, desbaste das bordas ou perfuração dos furos/corte da placa de eletrólito ou dos dispositivos de célula a combustível por microusinagem a laser podem ser realizados tanto pela ablação completa do material alvo (por exemplo, com um laser de femtosegundo) quanto pela incisão (via ablação) e fratura do material alvo (por exemplo, com um laser de 266 ou 355 nanosegundos). Isso é ilustrado de forma esquemática na Figura 1B. A fratura através da espessura da placa de eletrólito ocorre como resultado de uma autoclivagem (autofratura) devido à tensão térmica através da profundidade do material do eletrólito. Quando a microusinagem a laser (de placas de eletrólito ou dispositivos de célula a combustível) utiliza a fratura do material alvo via auto-clivagem (de modo que >50% da espessura seja fraturada), esse processo resulta em velocidades de corte a laser de cerca de 30 mm/seg. A perfuração de furos de diâmetro pequeno pode ser realizada usando ablação, utilizando altas velocidades (mais rápidas do que 30 mm/seg) e energias de baixo pulso (por exemplo, abaixo de 60 μΙ, ou abaixo de 50 μΐ, 40 μΐ, 3 μJ, 20 μΙ, 17 μJ ou 15 μΐ) para minimizar a formação de microfissuras ao redor do perímetro do furo. (Vide a Figura 1C) Se a microusinagem a laser das placas de eletrólito baseadas em zircônia foi realizada em grande parte através da ablação (por exemplo, ablação de 90% a 100% do material alvo), de acordo com algumas das concretizações, a placa de eletrólito 100 tem 5 crescimento granular de menos de 2 Dm na superfície cortada (submetida à ablação). Isto é, o tamanho de grânulo na superfície submetida à ablação, ou imediatamente adjacente a ela, é maior do que o tamanho de grânulo em outra área (área não sujeita á ablação) da placa de eletrólito. Por exemplo, um típico tamanho ío de grânulo em uma superfície não sujeita à ablação pode ser de 0,2 a 0,5 μηι, ao passo que a superfície submetida à ablação pode apresentar tamanhos de grânulo maiores (por exemplo, 0,9 μηι, 1 μηι, 1,3 μηι, 1,5 μηι ou 2 μηι).Cutting, roughing the edges or drilling the holes / cutting of the electrolyte plate or fuel cell devices by laser micro-machining can be accomplished either by complete ablation of the target material (eg with a femtosecond laser) or by incision. (via ablation) and fracture of the target material (eg with a 266 or 355 nanosecond laser). This is illustrated schematically in Figure 1B. Fracture through the thickness of the electrolyte plate occurs as a result of autocleavage (autofracting) due to the thermal stress across the depth of the electrolyte material. When laser micromachining (from electrolyte plates or fuel cell devices) utilizes fracture of the target material via self-cleavage (so that> 50% of thickness is fractured), this process results in laser cutting speeds of about 30 mm / sec. Drilling small diameter holes can be performed using ablation using high velocities (faster than 30 mm / sec) and low pulse energies (eg below 60 μ, or below 50 μΐ, 40 μΐ, 3 μJ, 20 μΙ, 17 μJ or 15 μΐ) to minimize the formation of micro cracks around the perimeter of the hole. (See Figure 1C) If laser micro-machining of zirconia-based electrolyte plates was performed largely through ablation (eg, ablation of 90% to 100% of target material), according to some embodiments, the Electrolyte plate 100 has 5 granular growth of less than 2 Dm on the cut surface (subjected to ablation). That is, the granule size on or immediately adjacent to the ablation surface is larger than the granule size in another area (non-ablation area) of the electrolyte plate. For example, a typical granule size on a non-ablation surface may be 0.2 to 0.5 μηι, while the ablation surface may have larger granule sizes (eg 0.9 μηι , 1 μηι, 1,3 μηι, 1,5 μηι or 2 μηι).

Uma vantagem do método da presente invenção é que esse método: (i) vantajosamente permite a fabricação de novos projetos de célula a combustível, tais como formatos de eletrólito não retangulares complexos e padrões de furos de passagem, formatos de furo de passagem não circulares complexos, regiões do eletrólito finas microusinadas menores com menos de 5 Om de espessura; e/ou (ii) vantajosamente aumenta o rendimento de fabricação e a resistência dos dispositivos de célula a combustível atuais. Mais especificamente, a velocidade, a precisão de colocação e a qualidade resultante da borda do eletrólito conferem flexibilidade ao projeto do dispositivo, à manipulação e resistência à(s) borda(s). O processo de microusinagem a laser da invenção pode ser utilizado a qualquer momento desejado após a sinterização do eletrólito, permitindo flexibilidade na fabricação do dispositivo. Um típico dispositivo de célula a combustível 150 inclui uma placa de eletrólito 100, pelo menos um, e de preferência uma 5 multiplicidade de pares de eletrodos 152 (catodos e anodos), conectores elétricos (por exemplo, vias condutoras situadas dentro dos furos de passagem), barras condutoras, e outras camadas opcionais. Os dispositivos de célula a combustível 150 também podem ser vantajosamente perfurados, cortados ou microusinados ío em diversos momentos durante o processo de fabricação, resultando em dispositivos de célula a combustível com atributos únicos, tais como formatos, planeza e resistência. O método resultante vantajosamente resulta em dispositivos de célula a combustível e placas de eletrólito que possuem aperfeiçoamentos 15 surpreendentes no quesito planeza e resistência (por exemplo, planeza pico-vale menor do que 50 Dm e resistência à flexão maior do que 2 GPa). Por exemplo, de acordo com uma concretização da presente invenção, a usinagem a laser dos dispositivos de célula a combustível baseados em óxido sólido de 20 única célula e múltiplas células pode ser realizada após a vedação ou montagem do(s) dispositivo(s) de célula a combustível em uma estrutura de suporte ou distribuição, o que resulta em melhor resistência da borda, qualidade da borda, manipulação e rendimento e velocidade de produção. De acordo com outra 25 concretização, vários dispositivos de célula a combustível são impressos em uma placa de eletrólito, e as placas de eletrólito são então cortadas (microusinadas a laser) para separar os dispositivos de combustível um do outro, dessa forma produzindo simultaneamente múltiplos dispositivos, com isso economizando tempo e mão-de-obra, e aumentando a velocidade de produção.An advantage of the method of the present invention is that this method: (i) advantageously enables the manufacture of new fuel cell designs such as complex non-rectangular electrolyte shapes and through-hole patterns, complex non-circular through-hole shapes , smaller micro-finely thin electrolyte regions less than 5 Om thick; and / or (ii) advantageously increases the throughput and strength of current fuel cell devices. More specifically, the speed, placement accuracy, and resulting quality of the electrolyte edge give flexibility to device design, handling, and resistance to the edge (s). The laser micromachining process of the invention can be used at any desired time after sintering of the electrolyte, allowing flexibility in device manufacturing. A typical fuel cell device 150 includes at least one electrolyte plate 100 and preferably a plurality of electrode pairs 152 (cathodes and anodes), electrical connectors (e.g., conductive pathways located within the through holes). ), conductive bars, and other optional layers. Fuel cell devices 150 may also be advantageously drilled, cut or micro-machined at various times during the manufacturing process, resulting in fuel cell devices with unique attributes such as shape, flatness and strength. The resulting method advantageously results in fuel cell devices and electrolyte plates having surprising improvements in the flatness and strength (e.g., peak-valley flatness less than 50 Dm and bending strength greater than 2 GPa). For example, in accordance with one embodiment of the present invention, laser machining of single cell and multiple cell solid oxide based fuel cell devices may be performed after sealing or mounting of the device (s). fuel cell in a support or distribution structure, which results in improved edge strength, edge quality, handling and yield and production speed. According to another embodiment, several fuel cell devices are printed on one electrolyte plate, and the electrolyte plates are then cut (laser micro-machined) to separate the fuel devices from each other, thereby simultaneously producing multiple devices. , thereby saving time and labor, and increasing production speed.

Durante o processo de microusinagem a laser,During the laser micro-machining process,

ou a placa de eletrólito 100 (ou o dispositivo de célula a combustível 150) pode ser movido mecanicamente, ou o feixe de laser fornecido pelo laser 160 pode ser varrido através da placa do eletrólito (ou do dispositivo de célula a combustível) para agilizar ίο o processamento. Além disso, a saída de um laser pode ser dividida em vários feixes de laser de microusinagem para acelerar o tempo de gravação. Algumas concretizações da presente invenção apresentam melhor resistência da borda da placa do eletrólito (resistência à flexão), maior do que 1,8 GPa. Algumas 15 concretizações da presente invenção apresentam resistência da borda da placa do eletrólito (resistência à flexão) maior do que 2 GPa. Essa resistência é medida em um sistema de curvatura de 2 pontos, em que a amostra de placa de eletrólito de 2 cm x 8 cm microusinada a laser é curvada sobre si mesmo entre as placas 20 paralelas se aproximando até se romper em duas seções de aproximadamente 2 cm por 4 cm.or the electrolyte plate 100 (or fuel cell device 150) can be moved mechanically, or the laser beam provided by laser 160 can be swept through the electrolyte plate (or fuel cell device) to expedite ίο the processing. In addition, the output of a laser can be split into multiple micromachining laser beams to speed up engraving time. Some embodiments of the present invention have better electrolyte plate edge strength (flexural strength) greater than 1.8 GPa. Some embodiments of the present invention have better electrolyte plate edge strength (flexural strength) greater than 1.8 GPa. 2 GPa. This resistance is measured in a 2-point bend system, where the 2 cm x 8 cm laser microplate electrolyte plate sample is bent over itself between the approaching parallel plates 20 until it breaks in two. sections approximately 2 cm by 4 cm.

Bordas aperfeiçoadas: O corte e perfuração mecânica exigem muita atenção na manutenção da ferramenta de corte para evitar a laceração das bordas do eletrólito. A microusinagem a laser das placas de eletrólito de cerâmica usinadas 100 de acordo com as concretizações da presente invenção é capaz de vantajosamente produzir uma borda de corte com uma superfície de borda 104 com menos rugosidade, lascas, rasgos ou outros aspectos de concentração de tensão do que uma borda produzida por corte mecânico. Isso melhora a resistência da 5 borda da placa de eletrólito, e pode vantajosamente reduzir o número de peças danificadas do eletrólito durante a fabricação devido ao rompimento nas bordas.Improved Edges: Mechanical cutting and drilling require careful attention to maintaining the cutting tool to avoid lacerating the edges of the electrolyte. Laser micro-machining of machined ceramic electrolyte plates 100 according to embodiments of the present invention is advantageously capable of producing a cutting edge with an edge surface 104 with less roughness, splinters, tears or other stress concentration aspects of the that an edge produced by mechanical cutting. This improves the strength of the edge of the electrolyte plate, and may advantageously reduce the number of damaged electrolyte parts during fabrication due to breakage at the edges.

A medida que as dimensões da placa do eletrólito aumenta, ela sofre tensões maiores durante os ciclos de ío manipulação e sinterização. Os dispositivos de célula a combustível microusinados a laser 150 e as placas de eletrólito 100 com maior resistência de borda resultarão em redução do índice de rompimento de placas de eletrólito durante a fabricação.As the size of the electrolyte plate increases, it experiences greater stresses during the manipulation and sintering cycles. Laser micro-machined fuel cell devices 150 and electrolyte plates 100 with higher edge strength will result in reduced breakage rate of electrolyte plates during manufacture.

Melhor fabricabilidade e qualidade: O corte a laser dos substratos do dispositivo (placas de eletrólito do tamanho desejado) a partir de uma placa de eletrólito sinterizada superdimensionada permite que a placa de eletrólito superdimensionada seja posicionada usando apenas o alinhamento mecânico comum. Uma vez que a perfuração dos furos de passagem e o corte das bordas de uma placa de eletrólito sinterizada podem ocorrer durante a mesma etapa, o alinhamento preciso para uma borda pré-formada não é necessário. Neste caso, a placa de eletrólito superdimensionada é colocada no estágio de translação (por exemplo, estágio XY ou estágio XYZ) de modo que uma área quase perfeita seja selecionada cortada a laser (microusinada) para fabricação do dispositivo. A capacidade de ajustar a posição dos dispositivos de célula a combustível fabricados toma possível evitar defeitos da placa de eletrólito 101. A localização precisa da peça de placa de eletrólito cortada pode ser ajustada dentro da placa de eletrólito superdimensionada para 5 evitar defeitos identificados. Isso melhora a qualidade geral do dispositivo e o rendimento do processo.Better Fabricability and Quality: Laser cutting of device substrates (electrolyte plates of the desired size) from an oversized sintered electrolyte plate allows the oversized electrolyte plate to be positioned using only common mechanical alignment. Since drilling of through holes and cutting edges of a sintered electrolyte plate can occur during the same step, precise alignment to a preformed edge is not required. In this case, the oversized electrolyte plate is placed in the translation stage (eg, stage XY or stage XYZ) so that an almost perfect area is selected by laser cutting (micro-machining) for device manufacture. The ability to adjust the position of fabricated fuel cell devices makes it possible to avoid electrolyte plate defects 101. The precise location of the cut electrolyte plate part can be adjusted within the oversized electrolyte plate to avoid identified defects. This improves overall device quality and process throughput.

A microusinagem a laser também pode ser usada para cortar o eletrólito sinterizado no formato correto (retangular, circular ou outro) e no tamanho correto. Geralmente, 10 a placa de eletrólito é mecanicamente cortada no estado não queimado e então sinterizada. Assim, o encolhimento que irá ocorrer durante a sinterização precisa ser previsto precisamente, o que é difícil de se fazer. A microusinagem a laser das placas de eletrólito sinterizadas não exige o posicionamento preciso.Laser micro-machining can also be used to cut the sintered electrolyte to the correct shape (rectangular, circular or other) and to the correct size. Generally, the electrolyte plate is mechanically cut in the unburned state and then sintered. Thus, the shrinkage that will occur during sintering needs to be predicted precisely, which is difficult to do. Laser micromachining of sintered electrolyte plates does not require precise positioning.

Por exemplo, os dispositivos de 10 células 150For example, 10-cell 150 devices

fabricados com dimensões gerais de 12 cm x 15 cm podem ter tolerâncias estreitas, por exemplo, +/- 1 mm de modo a se encaixar na estrutura de montagem. Usando a microusinagem a laser para cortar a placa de eletrólito 100 no tamanho correto 20 elimina a necessidade de controle preciso do encolhimento durante a sinterização. Além disso, a microusinagem a laser pode ocorrer em momentos absolutos durante o processo de fabricação. Por exemplo, a placa de eletrólito 100 pode ser cortada antes, após ou entre as etapas separadas de impressão/queima do 25 material do eletrodo. Se a placa do eletrólito for cortada mecanicamente até o tamanho correto e perfurada enquanto conectada ao filme de suporte de Teflon para fins de manipulação, o corte e perfuração mecânica danificam o filme de suporte e 5 tomam inviável a reciclagem. Uma vez que a microusinagem a laser ocorre quando a placa do eletrólito está no estado queimado, o filme de suporte do eletrólito (por exemplo, suporte em Teflon) pode agora ser reciclado continuamente.Manufactured with overall dimensions of 12 cm x 15 cm may have narrow tolerances, for example +/- 1 mm to fit the mounting frame. Using laser micro-machining to cut the electrolyte plate 100 to the correct size 20 eliminates the need for precise shrinkage control during sintering. In addition, laser micro-machining can occur at absolute times during the manufacturing process. For example, the electrolyte plate 100 may be cut before, after or between the separate print / burn steps of the electrode material. If the electrolyte plate is mechanically cut to the correct size and perforated while attached to the Teflon backing film for manipulation purposes, mechanical cutting and drilling will damage the backing film and make recycling 5 impracticable. Since laser micro-machining occurs when the electrolyte plate is in the burned state, the electrolyte support film (eg Teflon support) can now be recycled continuously.

Configurações complexas: A microusinagem a laser permite a fabricação de novos projetos de dispositivo de célula a combustível que não são possíveis ou viáveis por meio do corte mecânico. Por exemplo, as placas de eletrólito 100 podem ser cortadas a laser em formatos não retangulares complexos, quaisquer padrões desejados, e as bordas podem ser cortadas em proximidade extremamente estreita com as camadas previamente impressas. Para obter isso pelo corte mecânico de placas de eletrólito brutas (ou seja, não sintetizadas), seria necessária prever com extrema precisão o encolhimento das partes durante a sinterização, o que é difícil ou impossível de se obter na fabricação (em escala comercial).Complex configurations: Laser micromachining enables the manufacture of new fuel cell device designs that are not possible or feasible through mechanical cutting. For example, the electrolyte plates 100 may be laser cut to complex non-rectangular shapes, any desired patterns, and the edges may be cut in extremely close proximity to the previously printed layers. To achieve this by mechanically cutting raw (ie, non-synthesized) electrolyte plates, it would be necessary to accurately predict shrinkage of parts during sintering, which is difficult or impossible to achieve in manufacturing (on a commercial scale).

A microusinagem a laser não requer um suporte posterior rígido, como o corte mecânico, e vários sistemas de lentes ou um processo de autofocagem pode ser incorporado na configuração. Isso permite que a perfuração dos furos de 25 passagem e o corte das bordas ocorra em placas de eletrólito com perfis absolutos de superfície, contornos e corrugações que teriam sido difíceis ou impossíveis com meios mecânicos. Mais especificamente, a profundidade do feixe de laser e o formato podem ser modificados para cortar estruturas corrugadas com grandes contornos de superfície ou para produzir perfis de borda 5 moldados. As corrugações da placa de eletrólito são úteis para melhorar a tolerância à deformação do dispositivo, como descrito na Patente U.S. 6,582,845B2, mas são difíceis ou impossíveis de se cortar ou perfurar mecanicamente com precisão no estado bruto, não queimado. O processo de microusinagem a laser de 10 acordo com a presente invenção permite o corte e a formação de furos de passagem no eletrólito pré-queimado corrugado com variações de altura maiores do que 100 μηι, 250 μιη ou até mesmo 1000 μηι ou mais, o que pode ser útil para alívio da deformação.Laser micro-machining does not require rigid back support such as mechanical cutting, and various lens systems or an autofocus process can be incorporated into the configuration. This allows drilling of through holes and cutting edges to occur on electrolyte plates with absolute surface profiles, contours and corrugations that would otherwise have been difficult or impossible with mechanical means. More specifically, the laser beam depth and shape can be modified to cut corrugated structures with large surface contours or to produce molded edge profiles. Electrolyte plate corrugations are useful for improving the deformation tolerance of the device as described in U.S. Patent 6,582,845B2, but are difficult or impossible to accurately cut or puncture in the raw, unburnt state. The laser micromachining process of the present invention allows cutting and drilling of holes in the corrugated pre-burned electrolyte with height variations greater than 100 μηι, 250 μιη or even 1000 μηι or more, which may be useful for strain relief.

Vias aperfeiçoadas: A microusinagem a laserImproved ways: Laser micromachining

permite a produção eficiente de furos de passagem de alta qualidade 102 com diâmetros menores do que 75 μηι (por exemplo, 60 μιη, 45 μιη, 40 μηι, 30 μηι, 25 μηι, ou 20 μηι), perfuração/corte através de eletrodos impressos ou outras 20 camadas, formatos de passagem não circulares complexos, e padrões complexos de furos de passagem.allows efficient production of high quality through holes 102 with diameters smaller than 75 μηι (eg 60 μιη, 45 μιη, 40 μηι, 30 μηι, 25 μηι, or 20 μηι), punching / cutting through printed electrodes or another 20 layers, complex non-circular passageways, and complex passageway patterns.

De acordo com algumas concretizações, o processo de microusinagem a laser pode ser usado para produzir furos de passagem 102 na placa de eletrólito sinterizada 100, em vez de perfuração mecânica no estado não-queimado. O processo de perfurar mecanicamente as cerâmicas não queimadas exige prever o encolhimento por sinterização de um lote de eletrólitos em particular em condições específicas do forno. Se a previsão estiver desativada, os furos de passagem perfurados ficarão desalinhados após a sinterização. O encolhimento do 5 eletrólito durante a sinterização pode ser de 15% a 30%. As placas de eletrólito maiores exigem melhor precisão nos valores de encolhimento para manter as tolerâncias necessárias para a fabricação do dispositivo, especialmente com dispositivos de múltiplas células. Por exemplo, um eletrólito com comprimento ío de 50 cm e tolerâncias de posicionamento de furo de passagem (isto é, repetitividade de registro) de +/- 200 μηι no estado sinterizado corresponde a prever o encolhimento do eletrólito em mais de 0,05%. A microusinagem a laser dos furos de passagem 102 na placa de eletrólito sinterizada 100, no entanto, elimina a 15 necessidade de prever com precisão o encolhimento do eletrólito durante a sinterização, pois, após a sinterização, não ocorrerá nenhuma distorção do eletrólito que desalinhe os padrões dos furos de passagem.According to some embodiments, the laser micro-machining process may be used to produce through-holes 102 in the sintered electrolyte plate 100, rather than mechanical drilling in the unburned state. The process of mechanically drilling the unburned ceramics requires providing for sintering shrinkage of a particular batch of electrolytes under specific furnace conditions. If forecasting is disabled, drilled through holes will be misaligned after sintering. The shrinkage of the electrolyte during sintering can be from 15% to 30%. Larger electrolyte plates require better accuracy in shrinkage values to maintain the tolerances required for device manufacturing, especially with multi-cell devices. For example, an electrolyte with a length of 50 cm and through-hole positioning tolerances (ie record repeatability) of +/- 200 μηι in the sintered state is expected to shrink the electrolyte by more than 0.05%. . Laser micro-machining of the through-holes 102 in the sintered electrolyte plate 100, however, eliminates the need to accurately predict shrinkage of the electrolyte during sintering, as no electrolyte distortion will occur after sintering. through-hole patterns.

A perfuração mecânica prática dos furos de 20 passagem limita o diâmetro dos furos ao mínimo de aproximadamente 75 μιη após a queima. Embora perfurações mecânicas de 50 μηι sejam conhecidas, o tempo de vida da perfuração mecânica nesses diâmetros é muito pequeno. A microusinagem a laser dos furos de passagem 102 permite uma 25 redução prática no diâmetro dos furos (menos de 75 μηι), bem como a fabricação de padrões de furo absolutos. Por exemplo, um padrão de vários furos de passagem menores dispostos em agrupamentos pode ocupar um furo de passagem de 75 μηι de diâmetro. Os diâmetros de furo de passagem menores permitem o preenchimento mais eficaz da passagem. A microusinagem 5 também possibilita a criação de furos de passagem 102 em tempos ideais no processo de fabricação. Os furos podem até mesmo ser formados em várias camadas de material ligadas à placa do eletrólito. Por exemplo, os furos podem ser microusinados após a camada de anodo 103 situada na placa de ío eletrólito baseada em zircônia 100 ter sido impressa e queimada, o que cria um furo de passagem contínuo através de ambas as camadas (a placa de eletrólito 100 e o anodo 103) simultaneamente. As Figuras 2a, 2b, respectivamente, ilustram esquematicamente exemplos de furos de passagem 102 perfurados 15 através da placa de eletrólito 100 e das camadas de anodo/placa do eletrólito 100,103. Diferentes geometrias de seção transversal dos furos de passagem (por exemplo, não circulares) também são possíveis de serem alcançadas por este método.Practical mechanical drilling of 20-pass holes limits the diameter of the holes to a minimum of approximately 75 μιη after firing. Although 50 μηι mechanical perforations are known, the lifetime of the mechanical drilling at these diameters is very short. Laser micro-machining of through holes 102 allows for a practical reduction in hole diameter (less than 75 μηι) as well as the manufacture of absolute hole patterns. For example, a pattern of several smaller through holes arranged in clusters may occupy a through hole of 75 μηι in diameter. Smaller bore bore diameters allow for more effective filling of the bore. Micro machining 5 also enables the creation of through holes 102 at optimal times in the manufacturing process. Holes can even be formed into various layers of material attached to the electrolyte plate. For example, the holes may be micro-machined after the anode layer 103 located on the zirconia-based electrolyte ion plate 100 has been printed and burned, which creates a continuous passage hole through both layers (the electrolyte plate 100 and anode 103) simultaneously. Figures 2a, 2b, respectively, schematically illustrate examples of through-holes 102 drilled through electrolyte plate 100 and anode / electrolyte plate layers 100,103. Different cross-sectional geometries of through-holes (eg non-circular) are also achievable by this method.

Como comparação, a perfuração mecânica via 20 furos com diâmetros de menos de 75 μιη possui tempo de vida útil do equipamento reduzida devido ao rompimento pela perfuração. Furos de passagem com diâmetro menor do que 75 μιη com relação de aspecto (L/D) de comprimento (espessura do eletrólito para diâmetro do furo de aproximadamente 1:1 (isto é, 25 0,3:1 para 2:1) terão enchimento mais eficiente, bem como melhor durabilidade. Os furos de passagem menores 102 preenchidos com o material condutor teriam menos lacunas e defeitos, e portanto, durabilidade mecânica prolongada. Os furos de passagem maiores (maiores do que 75 μιη, e em especial maiores do que 100 μηι de diâmetro) têm maior tendência a formar lacunas no enchimento da via na sinterização, enquanto que a via menor proporciona uma razão maior de volume da superfície para a via, contrabalançando essa tendência. A capacidade de microusinar a laser os furos de passagem menores 102 em placas de eletrólito sinterizadas 100 permite melhorar a ío qualidade do enchimento e da sinterização do material de enchimento da via condutora. Sendo assim, é preferível que os furos de passagem 102 tenham diâmetro menor do que 75 micra, e mais preferencialmente, menor do que 50 micra, com relação de aspecto L/D de 0,3:1 para 1:5, e ainda mais preferencialmente, 0,3:1 a 1:1. Furos de passagem com diâmetros menores do que micra e relações de aspecto de 1:1,25 são mais preferidos. A perfuração de furos de passagem pequenos com as relações de aspecto preferidas é vantajosamente viabilizada pelo método de microusinagem descrito acima de acordo com a presente invenção.By comparison, mechanical drilling via 20 holes with diameters of less than 75 μιη has reduced equipment life due to drilling breakage. Through-holes with a diameter of less than 75 μιη with an aspect ratio (L / D) of length (electrolyte thickness to hole diameter of approximately 1: 1 (ie 25 0.3: 1 to 2: 1) will have more efficient filling as well as better durability.The smaller through holes 102 filled with the conductive material would have fewer gaps and defects and therefore extended mechanical durability.The larger through holes (larger than 75 μιη, and especially larger than 100 μηι in diameter) are more likely to form gaps in sintering path filling, while the smaller path provides a higher surface to path volume ratio, counteracting this tendency. 102 on sintered electrolyte plates 100 improves the quality of the filling and sintering of the conductive pathway filling material. It is possible that the through-holes 102 have a diameter of less than 75 microns, and more preferably less than 50 microns, with an L / D aspect ratio of 0.3: 1 to 1: 5, and even more preferably 0, 3: 1 to 1: 1. Through holes with diameters smaller than microns and aspect ratios of 1: 1.25 are more preferred. Drilling small through holes with preferred aspect ratios is advantageously made possible by the micro-machining method described above in accordance with the present invention.

Com os diâmetros de furo de passagem pequenos, pode ser vantajoso aumentar o número de furos de passagem de modo a manter a resistência da trajetória atual através das vias. A redução do diâmetro dos furos de passagem 25 de 75 μιη a 50 μιη implica redução da seção transversal de aproximadamente 66%. A redução da seção transversal é definida como 1-(área da via de 50 um de diâmetro)/(área da via de 75 um de diâmetro). Neste caso, o número de vias pode ser aumentado em um fator de 2 a 2,5 para compensar a redução na área (seção transversal). No entanto, em muitos casos, um aumento no 5 número de vias não é necessário, pois a resistência da via não é um fator limitante. No caso de vias com diâmetros menores que 50 μηι, pode ser preferido que os agrupamentos ou grupos de vias menores sejam utilizados para substituir uma única via grande. Por exemplo, nove furos de passagem de 25 μιη possuem a ío mesma área de seção transversal que um furo de passagem de 75 μηι e poderiam substituir de forma eficaz essa única via. Esses furos de passagem pequenos podem ser agrupados em uma variedade de formas, inclusive em arranjos lineares de furos de passagem, agrupamento(s) circular(es) ou retangular(es) dos furos 15 de passagem 102, ou qualquer padrão que oferece boa integridade mecânica e distribuição de corrente adequada.With the small through-hole diameters, it may be advantageous to increase the number of through-holes to maintain the resistance of the current path through the tracks. Reducing the diameter of through holes 25 from 75 μιη to 50 μιη implies a reduction in cross section of approximately 66%. The cross section reduction is defined as 1- (track area 50 µm in diameter) / (track area 75 µm in diameter). In this case, the number of lanes can be increased by a factor of 2 to 2.5 to compensate for the reduction in area (cross section). However, in many cases, an increase in the number of lanes is not necessary as the resistance of the lanes is not a limiting factor. In the case of tracks with diameters smaller than 50 μηι, it may be preferred that smaller track groupings or groups are used to replace a single large track. For example, nine 25 μιη boreholes have the same cross-sectional area as a 75 μηι borehole and could effectively replace this single pathway. These small through-holes can be grouped in a variety of shapes, including linear through-hole arrangements, circular or rectangular grouping (s) from through-holes 15, or any pattern that provides good integrity. mechanics and proper current distribution.

Fabricação de múltiplos dispositivos: Uma vez que o corte mecânico do eletrólito sinterizado provocaria fissuras descontroladamente e reduziria drasticamente a 20 resistência devido aos defeitos criados, o corte mecânico é geralmente realizado em eletrólitos verdes (ou seja, não sinterizados). No entanto, uma vez que o corte mecânico exige que as placas de eletrólito sejam cortadas sob medida no estado não queimado, apenas um dispositivo de célula a combustível 25 pode ser fabricado por substrato. A capacidade de cortar a laser ou provocar a ablação da placa de eletrólito sinterizada em momentos absolutos durante a fabricação do dispositivo de célula a combustível permite que mais de um dispositivo de célula a combustível 150 seja fabricado em um único substrato de placa de eletrólito superdimensionado 100. (Vide a Figura 3). Após os 5 dispositivos de célula a combustível estarem completos, eles podem ser cortados usando apenas microusinagem a laser, e, dessa forma, separados um dos outros. Essa abordagem pode ser usada para fabricar múltiplos dispositivos de célula a combustível em paralelo para aumentar o rendimento de fabricação. Caso seja 10 utilizada uma placa de eletrólito superdimensionada, os padrões do dispositivo de célula a combustível também podem ser alterados à medida que necessário para evitar defeitos da placa de eletrólito 101 e aumentar ainda mais o rendimento. A Figura 3 ilustra esquematicamente o conceito de fabricar múltiplos 15 dispositivos de célula a combustível em uma única placa de eletrólito comum e separa-los (via corte a laser) após a última etapa de impressão/queima. A trajetória do corte a laser exemplificativa (trajetória de ablação) é ilustrada esquematicamente por uma seta 2 ao redor de um dos 20 dispositivos. A trajetória de ablação do laser consiste em criar uma nova superfície de borda à medida que o dispositivo de célula a combustível está sendo cortado. Dessa forma, a microusinagem a laser permite que os dispositivos de célula a combustível sejam cortados do eletrólito em momentos absolutos 25 durante o processo de fabricação. A fabricação de múltiplos dispositivos de célula a combustível em uma única placa de eletrólito 100 reduz o número de etapas de manipulação por um fator igual ao número de dispositivos de célula a combustível impressos simultaneamente. Dessa forma, embora um dispositivo de célula a combustível possa ser impresso de uma só vez em uma 5 única placa de eletrólito, prefere-se que dois ou mais dispositivos de célula a combustível 150 sejam impressos em uma única placa de eletrólito sinterizada 100 e que os dispositivos de célula a combustível completos 150 sejam cortados a laser distantes um do outro após a fabricação. Isso é, os anodos e catodos e outras ío camadas (se necessário) são impressos em uma placa de eletrólito sinterizada 100, os furos de passagem são perfurados e preenchidos, e a placa de eletrólito 100 suportando os vários dispositivos de célula a combustível impressos pelo menos parcialmente é então queimada (sinterizada). Após a sinterização, 15 a placa de eletrólito 100 é microusinada a laser, para cortar os dispositivos de célula a combustível completos ou parcialmente completos 150. Para dispositivos de célula a combustível pequenos, 10, 20 ou mais podem ser impressos em uma única placa de eletrólito 100 medindo 30 cm ou mais de largura ou 20 altura. Observa-se que os dispositivos de célula a combustível 150 podem ser idênticos ou de construção diferente. Por exemplo, os dispositivos de célula a combustível 150 situados em uma única placa de eletrólito sinterizada 100 podem ser dispositivos de múltiplas células, dispositivos de única célula ou 25 uma combinação de ambos. Esses dispositivos de célula a combustível podem ser do mesmo tamanho, ou de diferentes tamanhos, e podem ter a mesma relação de aspecto ou relações de aspecto diferentes (largura/comprimento).Multiple Device Fabrication: Since mechanical cutting of sintered electrolyte would cause uncontrolled cracking and drastically reduce resistance due to defects created, mechanical cutting is generally performed on green (ie, non-sintered) electrolytes. However, since mechanical cutting requires that the electrolyte plates be cut to size in the unburnt state, only one fuel cell device 25 can be fabricated by substrate. The ability to laser cut or ablate the sintered electrolyte plate at absolute times during fuel cell device fabrication allows more than one fuel cell device 150 to be fabricated on a single oversized electrolyte plate substrate 100 (See Figure 3). Once the 5 fuel cell devices are complete, they can be cut using only laser micro machining, and thus separated from each other. This approach can be used to fabricate multiple fuel cell devices in parallel to increase manufacturing throughput. If an oversized electrolyte plate is used, the fuel cell device defaults can also be changed as necessary to avoid defects in the electrolyte plate 101 and further increase performance. Figure 3 schematically illustrates the concept of fabricating multiple fuel cell devices into a single common electrolyte plate and separating them (via laser cutting) after the last print / burn step. The exemplary laser cutting path (ablation path) is schematically illustrated by an arrow 2 around one of the 20 devices. The laser ablation path is to create a new edge surface as the fuel cell device is being cut. Thus, laser micro-machining allows fuel cell devices to be cut from electrolyte at absolute times during the manufacturing process. Fabricating multiple fuel cell devices on a single electrolyte plate 100 reduces the number of manipulation steps by a factor equal to the number of fuel cell devices printed simultaneously. Thus, while a fuel cell device can be printed at one time on a single electrolyte plate, it is preferred that two or more fuel cell devices 150 be printed on a single sintered electrolyte plate 100 and that complete fuel cell devices 150 are laser cut apart from each other after manufacture. That is, the anodes and cathodes and other layers (if required) are printed on a sintered electrolyte plate 100, the through holes are drilled and filled, and the electrolyte plate 100 supporting the various fuel cell devices printed by the electrolyte. less partially is then burned (sintered). After sintering, 15 the electrolyte plate 100 is laser micro-machined to cut complete or partially complete fuel cell devices 150. For small fuel cell devices, 10, 20 or more may be printed on a single plate. 100 electrolyte measuring 30 cm or more in width or 20 height. It is noted that fuel cell devices 150 may be identical or of different construction. For example, fuel cell devices 150 situated on a single sintered electrolyte plate 100 may be multiple cell devices, single cell devices, or a combination of both. Such fuel cell devices may be of the same or different sizes and may have the same aspect ratio or different aspect ratios (width / length).

A fabricação de múltiplos dispositivos 150 em uma única placa de eletrólito 100 minimiza os vincos de borda, 5 ondulações e variações de espessura indesejadas, pois esses problemas ocorrem principalmente nas bordas da placa de eletrólito, e no meio dos dispositivos. Além disso, ela minimiza a freqüência de manipulação do(s) dispositivo(s) e a quantidade de tempo que cada dispositivo é manipulada, o que leva ao aumento ío do rendimento de produção.Fabricating multiple devices 150 on a single electrolyte plate 100 minimizes unwanted edge creases, 5 undulations, and thickness variations, as these problems occur primarily at the edges of the electrolyte plate, and in the middle of the devices. In addition, it minimizes the handling frequency of the device (s) and the amount of time each device is manipulated, which leads to increased throughput.

Minimização das ondulações e/ou vincos das bordas da placa de eletrólito: A microusinagem a laser possibilita que a placa de eletrólito seja superdimensionada no estado bruto, e que seja cortada sob medida após a sinterização. 15 Se qualquer vinco ou ondulação de borda ocorrer enquanto a placa de eletrólito é sinterizada, os vincos e/ou dobras podem ser removidos por corte com o laser após a sinterização. A remoção do material após a sinterização da placa do eletrólito elimina toda e qualquer necessidade de empilhamento das placas de eletrólito 20 ou de aplicar peso sobre as placas de eletrólito durante a sinterização como uma forma de reduzir a ondulação da borda, prefere-se que a região externa de 1 mm a 5 mm da placa de eletrólito seja removida após a sinterização de modo a reduzir ou eliminar essa ondulação de borda. O desbaste de cerca de 1 mm 25 da borda da placa de eletrólito reduz significativamente os vincos ou ondulações da borda e melhora consideravelmente a qualidade da superfície da borda, tal como a rugosidade ao longo da face da borda e a probabilidade de uma borda rachar, romper-se ou outra saliência que viesse a concentrar tensão. Embora seja preferido que a quantidade mínima possível de material seja removida, uma 5 parte maior do perímetro pode ser removida, por exemplo, 3 cm ou mais, caso necessário.Minimization of ripples and / or creases on the edges of the electrolyte plate: Laser micromachining enables the electrolyte plate to be oversized in the raw state and to be cut to size after sintering. If any crease or edge curl occurs while the electrolyte plate is sintered, creases and / or folds may be removed by laser cutting after sintering. Removing material after sintering the electrolyte plate eliminates any need for stacking the electrolyte plates 20 or applying weight to the electrolyte plates during sintering as a way to reduce edge curl. 1 mm to 5 mm outer region of the electrolyte plate is removed after sintering to reduce or eliminate this edge curl. Thinning about 1 mm 25 from the edge of the electrolyte plate significantly reduces edge creases and ripples and considerably improves edge surface quality, such as roughness along the edge face and the likelihood of an edge cracking, break or other bulge that would concentrate tension. While it is preferred that the minimum possible amount of material be removed, a larger part of the perimeter may be removed, for example 3 cm or more if necessary.

Redução nas bordas da placa de eletrólito: Outro benefício do uso da microusinagem a laser no corte de dispositivos 150 totalmente fabricados a partir de um substrato de ío placa de eletrólito superdimensionado é a possível redução da borda da placa de eletrólito B ao redor dos eletrodos impresso 152 (vide a Figura 4). A impressão de um padrão de eletrodo em particular (ou a definição de padrão de eletrodos em geral) exige um tamanho mínimo de eletrólito com dimensões maiores do que esse padrão. Quanto menor a placa do eletrólito, mais difícil se toma alinhar precisamente e imprimir detalhes bem definidos na borda da placa de eletrólito ou próximo a ela. Usando a microusinagem a laser, todas as camadas do eletrodo podem ser impressas / queimadas, e então a borda final do dispositivo pode ser cortada arbitrariamente próximo aos (ou através dos) eletrodos de célula a combustível impressos. Por exemplo, a placa de eletrólito resultante pode ter uma borda não impressa que tem menos de 5 mm, ou menos de 3 mm, ou ainda menos de 2 mm de largura. A redução das bordas da placa de eletrólito permite novos projetos de dispositivo de célula a combustível que anteriormente não eram possíveis, com os eletrodos presentes até a borda da placa de eletrólito. Além disso, isso cria menos área inativa na placa de eletrólito. O dispositivo 150 desbastado pode até mesmo ter uma placa de eletrólito 100 que foi microusinada/desbastada a laser de forma a não ter borda9s) não impressas.Reduction in Electrolyte Plate Edges: Another benefit of using laser micro-machining when cutting fully fabricated 150 devices from an oversized electrolyte plate substrate is the possible reduction of the electrolyte plate B edge around the printed electrodes. 152 (see Figure 4). Printing a particular electrode pattern (or setting the electrode pattern in general) requires a minimum electrolyte size larger than this pattern. The smaller the electrolyte plate, the harder it is to precisely align and print well-defined details on or near the edge of the electrolyte plate. Using laser micromachining, all electrode layers can be printed / burnt, and then the final edge of the device can be cut arbitrarily close to (or through) the printed fuel cell electrodes. For example, the resulting electrolyte plate may have an unprinted edge that is less than 5 mm, or less than 3 mm, or even less than 2 mm wide. Reducing the electrolyte plate edges allows new fuel cell device designs that were previously not possible with the electrodes present to the edge of the electrolyte plate. In addition, this creates less inactive area on the electrolyte plate. The chopped device 150 may even have an electrolyte plate 100 that has been micro-machined / laser chopped so that it has no unprinted edges.

A microusinagem a laser pode ser usada para cortar ou desbastar dispositivos de célula a combustível após o eletrodo final, enchimento das vias ou a barra condutora terem sido depositados e sinterizados. Isso permite que os dispositivos ío de célula a combustível sejam fabricados com muito menos borda de eletrólito não impressa (inativa) ao longo das bordas do que costuma ser prático para a impressão ou manipulação. Por exemplo, o corte a laser do perímetro dos dispositivos de célula a combustível após a etapa final de fabricação permite uma 15 utilização de superfície muito maior da placa do eletrólito. Sobre a superfície do eletrólito, uma área maior pode ser coberta com eletrodos funcionais e contatos caso seja utilizado o corte/microusinagem a laser. De forma similar, os padrões impressos de eletrodos ou outras camadas adicionais podem ser 20 formados por toda a borda do eletrólito sem levar em consideração a manipulação durante o processamento. Tipicamente, nos dispositivos de célula a combustível, apenas uma parte pequena da área próxima à borda pode ser impressa com eletrodos ou outros componentes devido às dificuldades 25 encontradas ao segurar e manipular o dispositivo de célula a combustível. O método da presente invenção permite que os eletrodos, barras condutoras, condutores ou outros componentes dos dispositivos cubram 5% a 100% (Figura 4) do perímetro da placa de eletrólito 100, até uma distância B menor do que 5 mm da borda da placa de eletrólito, ou até mesmo até a própria borda.Laser micro-machining can be used to cut or thin fuel cell devices after the final electrode, track filler or conductor bar has been deposited and sintered. This allows fuel cell devices to be manufactured with much less unprinted (inactive) electrolyte edge along the edges than is usually practical for printing or manipulation. For example, laser perimeter cutting of fuel cell devices after the final manufacturing step allows for much greater surface utilization of the electrolyte plate. On the electrolyte surface, a larger area can be covered with functional electrodes and contacts if laser cutting / micro-machining is used. Similarly, printed electrode patterns or other additional layers may be formed across the electrolyte edge without regard to manipulation during processing. Typically, in fuel cell devices, only a small portion of the area near the edge may be printed with electrodes or other components due to the difficulties encountered in holding and manipulating the fuel cell device. The method of the present invention allows the electrodes, conductor bars, conductors or other device components to cover 5% to 100% (Figure 4) of the perimeter of the electrolyte plate 100 to a distance B less than 5 mm from the plate edge. electrolyte, or even to the very edge.

O corte a laser das bordas dos dispositivos de célula a combustível permite que os detalhes adicionais ocupem uma parte bem maior do perímetro do dispositivo e permite que eles fiquem muito mais próximos à borda do eletrólito do que quando se utilizam outros métodos de corte. No caso do corte a laser, ío qualquer eletrólito adicional necessário para fins de manipulação ou processamento pode ser removido por corte após a fabricação do dispositivo estar completa.Laser cutting the edges of fuel cell devices allows additional details to occupy a much larger part of the device perimeter and allows them to be much closer to the electrolyte edge than when using other cutting methods. In the case of laser cutting, any additional electrolyte required for manipulation or processing purposes may be removed by cutting after the fabrication of the device is complete.

O corte/microusinagem a laser permite que a dimensão final do dispositivo de célula a combustível seja criada após montar o dispositivo de célula a combustível 150 em ou junto a uma estrutura de quadro ou distribuidor, ou em um conjunto de vários dispositivos de célula a combustível. Por exemplo, o eletrólito ou dispositivo de célula a combustível podem ser microusinados a laser após já terem sido montados em uma estrutura. Isso permite que um dispositivo maior seja conduzido durante o processo para fins de manipulação, inclusive montagem, e então desbastado posteriormente para remover o excesso. Sendo assim, de acordo com algumas concretizações da presente invenção, o método de microusinagem a laser de acordo com a presente invenção seria utilizado após a montagem de um dispositivo de célula a combustível maior do que o necessário em uma estrutura ou em um conjunto de vários dispositivos e em seguida cortando a laser ou desbastando esse dispositivo de célula a combustível maior após monta-lo na dimensão final desejada.Laser cutting / micro-machining allows the final dimension of the fuel cell device to be created after mounting the fuel cell device 150 on or next to a frame or distributor frame, or a set of multiple fuel cell devices. . For example, the electrolyte or fuel cell device may be laser micro-machined after it has already been mounted on a frame. This allows a larger device to be driven during the process for handling purposes, including mounting, and then roughened later to remove excess. Accordingly, according to some embodiments of the present invention, the laser micro-machining method according to the present invention would be used after mounting a larger than necessary fuel cell device on a frame or assembly of several laser cutting or chopping this larger fuel cell device after mounting it to the desired final dimension.

Usinagem do Padrão de Superfície: A 5 microusinagem a laser pode ser utilizada para realizar a usinagem do padrão de superfície. A usinagem de superfície das placas de eletrólito e/ou dos dispositivos de célula a combustível inclui texturização, corrugação e micro-janelamento. O micro- janelamento é o processo de criar regiões muito finas na 10 superfície do eletrólito. Por exemplo, os padrões de superfície 105, tais como microjanelas 105’, podem ser microusinados a laser na placa de eletrólito sinterizada 102 oposto aos eletrodos anteriormente impressos (anodos, catodos) ou outras camadas dos dispositivos de célula a combustível 150. Dessa forma, é possível 15 criar janelas de placa de eletrólito mais finas do que seria possível com técnicas de moldagem, pois as técnicas de moldagem / colagem exigem uma espessura mínima do eletrólito na placa de eletrólito não queimada (ou seja, bruta) para sobreviver à liberação da placa bruta a partir do suporte no qual ela é fundida. 20 Catodos ou outras camadas podem então ser impressos nas áreas microusinadas a laser, de modo que as janelas ainda sejam imprensadas entre os pares de anodo-catodo ou entre outras camadas impressas (tal como, por exemplo, barras condutoras ou camadas catalisadoras). Uma concretização daSurface Pattern Machining: 5 laser micromachining can be used to perform surface pattern machining. Surface machining of electrolyte plates and / or fuel cell devices includes texturing, corrugation and micro-windowing. Micro-windowing is the process of creating very thin regions on the surface of the electrolyte. For example, surface patterns 105, such as microwindows 105 ', may be laser micro-machined on the sintered electrolyte plate 102 opposite previously printed electrodes (anodes, cathodes) or other layers of fuel cell devices 150. Thus, it is possible to create thinner electrolyte plate windows than would be possible with molding techniques because molding / bonding techniques require a minimum electrolyte thickness on the unburned (ie gross) electrolyte plate to survive the release of the electrolyte plate. raw plate from the holder on which it is cast. Cathodes or other layers may then be printed on the laser micro-machined areas so that the windows are still sandwiched between the anode-cathode pairs or between other printed layers (such as, for example, conductive bars or catalyst layers). One embodiment of

microusinagem/padronização de superfície é descrita, por exemplo, na concretização do Exemplo 9 e é ilustrada nas Figuras 26a a 26C e 27a a 27d.Surface micromachining / patterning is described, for example, in the embodiment of Example 9 and is illustrated in Figures 26a to 26C and 27a to 27d.

O corte a laser do formato final do eletrólito após a fabricação estar completa permite que estruturas de teste de controle de qualidade sejam fabricadas em paralelo em cada placa de eletrólito 100. (Por exemplo, pequenos dispositivos de teste podem ser fabricados em cada placa de eletrólito próximo aos dispositivos de célula a combustível 150 reais. Esses pequenos dispositivos de teste passarão pelas mesmas etapas e ío condições de fabricação que o dispositivo de célula a combustível real. Quando a fabricação estiver completa, esses pequenos dispositivos de teste (amostras testemunhas) podem ser removidos por corte e avaliados. Isso permite que testes destrutivos e não destrutivos do desempenho do dispositivo ocorram nessas pequenas amostras de controle de qualidade de teste em vez de sacrificar um dispositivo de célula a combustível real. Após a fabricação, essas estruturas podem ser removidas por corte para teste destrutivo ou outro teste. O corte mecânico exigiria que dispositivos reais fossem sacrificados para teste ou a fabricação em série de dispositivos de teste separados.Laser cutting of the final electrolyte shape after fabrication is complete allows quality control test structures to be fabricated in parallel on each electrolyte plate 100. (For example, small test devices may be fabricated on each electrolyte plate. near the actual 150 fuel cell devices.These small test devices will go through the same steps and conditions of manufacture as the actual fuel cell device.When manufacturing is complete, these small test devices (witness samples) can be This allows for destructive and non-destructive testing of device performance to take place in these small test quality control samples rather than sacrificing a real fuel cell device. After fabrication, these structures can be removed by cutting for destructive testing or other testing. would require actual devices to be sacrificed for testing or serial fabrication of separate test devices.

Exemplos usando a configuração de laser ns #1 (Exemplo la, lb)Examples using laser configuration # 1 (Example la, lb)

Nesta configuração do sistema de microusinagem a laser (Vide a Fig. 5), utilizou-se o laser Nd- YAG ns de frequência quadruplicada 160 da Lambda Physik Starline, GmbH, com um comprimento de onda de saída de 266 nm, com uma taxa de repetição de 1 kHz, e energia por pulso máxima de 2 mJ para microusinar furos de passagem em uma placa de eletrólito cerâmica 100. Vários espelhos Mi direcionam o feixe de laser para uma lente de focagem óptica L1. A placa de eletrólito sinterizada 100 era suportada por um estágio XY móvel Si, e as lentes Lj direcionaram o feixe de laser focalizado para a placa de eletrólito 100. A duração de pulso do laser 160 era de 10 ns. Bordas retas, furos de passagem e padrões curvos foram microusinados na placa de eletrólito de 20 μιη de espessura ío sinterizada 100. A placa de eletrólito tinha composição e espessura substancialmente similares às descritas no pedido de patente US 2004/0265663. A profundidade do foco do feixe de laser era de cerca de 300 μηι. Nota-se que é possível utilizar ainda um sistema de laser ps ou fs (fornecendo comprimentos de onda de absorção similares ou diferentes). Além disso, é possível utilizar sistemas que criem profundidades de foco variando de 1 μηι a 1 mm, seja qual for o sistema específico do laser. Esses sistemas de lentes permitem controlar o tamanho do ponto, e, dessa forma, o tamanho dos detalhes microusinados. Além disso, eles permitem a microusinagem a laser de placas de eletrólito com variações de altura na superfície (por exemplo, superfícies corrugadas ou com padrões). Durante a microusinagem a laser de tais placas de eletrólito, a altura das corrugações ou variações de superfície deve ser igual ou menor do que a profundidade do foco. Exemplo Ia Uma lente plano-convexa (PCX) Li com um comprimento focal de 10 cm foi utilizada para focalizar a luz em proximidade com a placa de eletrólito baseada em zircônia. Utilizou-se uma técnica de perfuração por percussão simples. O 5 laser de 266 nm 160 teve seu nível de potência óptica estabelecido em 340 mW. Esse nível de potência corresponde a 340 μΐ por pulso. Uma vez que o diâmetro do furo de passagem desse exemplo é de aproximadamente 50 μιη, isso nos dá um nível deIn this configuration of the laser micro-machining system (See Fig. 5), the quadrupled frequency Nd-YAG ns 160 laser from Lambda Physik Starline, GmbH, having an output wavelength of 266 nm at a rate of 1 kHz repetition, and a maximum pulse energy of 2 mJ to micro-pass through holes in a 100 ceramic electrolyte plate. Several Mi mirrors direct the laser beam to an L1 optical focusing lens. The sintered electrolyte plate 100 was supported by a mobile XY stage Si, and the Lj lenses directed the focused laser beam to the electrolyte plate 100. The pulse duration of laser 160 was 10 ns. Straight edges, through holes and curved patterns were micro-machined on the 20 μιη sintered 100-electrolyte plate. The electrolyte plate had a composition and thickness substantially similar to those described in US patent application 2004/0265663. The depth of focus of the laser beam was about 300 μηι. Note that a ps or fs laser system can also be used (providing similar or different absorption wavelengths). In addition, it is possible to use systems that create focus depths ranging from 1 μηι to 1 mm, whatever the specific laser system. These lens systems allow you to control the size of the point, and thus the size of the micro-detail. In addition, they allow laser micro-machining of electrolyte plates with surface height variations (eg, corrugated or patterned surfaces). During laser micro-machining of such electrolyte plates, the height of corrugations or surface variations must be equal to or less than the depth of focus. Example Ia A flat-convex (PCX) Li lens with a focal length of 10 cm was used to focus light in close proximity to the zirconia-based electrolyte plate. A simple percussion drilling technique was used. The 266 nm 160 laser had its optical power level set at 340 mW. This power level corresponds to 340 μΐ per pulse. Since the through-hole diameter of this example is approximately 50 μιη, this gives us a level of

oThe

fluência do laser de cerca de 17 J/cm . No experimento, o furo foi ío cortado/perfurado a laser através da placa de eletrólito após menos de 2000 pulsos ou 2 segundos. O nível mínimo de fluência necessário para observar efeitos de ablação a laser (isto é, nível limite de ablação) foi menor do que 6 J/cm , por exemplo, cerca de 1 (0,9 a 1,1 J/cm ). O formato da passagem produzido é 15 influenciado pelo formato do feixe de laser. A microusinagem a laser, sem geração de microfissuras, também foi obtida usando uma faixa de níveis de potência de 100 a 600 μJ por pulso, e níveis de fluência de 5 a 30 J/cm .Laser fluency of about 17 J / cm. In the experiment, the hole was laser cut / drilled through the electrolyte plate after less than 2000 pulses or 2 seconds. The minimum creep level required to observe laser ablation effects (ie ablation threshold level) was less than 6 J / cm, for example about 1 (0.9 to 1.1 J / cm). The shape of the passageway produced is influenced by the shape of the laser beam. Laser micromachining without generation of cracks was also achieved using a range of power levels from 100 to 600 μJ per pulse, and creep levels from 5 to 30 J / cm.

A Figura 6a e a Figura 6b são fotografias 20 feitas por um microscópio óptico dos furos de passagem microusinados exemplificativos. Tanto a superfície superior da placa de eletrólito (isto é, o lado onde incide o laser na Figura 6a), bem como a superfície inferior da placa de eletrólito (isto é, superfície de onde sai o laser na Figura 6b) são mostradas. A 25 redeposição do material que sofreu ablação do plasma gerado foi observada na placa de eletrólito na forma de padrões de anel 108, mas foi observado que a redeposição pode ser reduzida, por exemplo, utilizando-se lasers pulsados ultracurtos (<100 os), aquecendo a placa de eletrólito 100 a temperaturas elevadas, ou com o uso de gás de purga ou câmara de coleta de resíduos. A 5 Figura 6a e a Figura 6b ilustram que, embora a região redepositada esteja presente (na forma de estruturas de anel ao redor dos furos de passagem microusinados a laser), não há microfissura observável. A integridade mecânica das bordas cortadas foi observada em envelhecimento acelerado expondo os ío furos microusinados a vapor de água a 105 0C -108 0C e 3,5-6,5 psi por cerca de 115 horas. Não foi observada nenhuma transição acelerada para a estrutura monoclínica nas bordas cortadas comparada com o material avulso.Figure 6a and Figure 6b are photographs taken by an optical microscope of the exemplary micro-machined through holes. Both the upper surface of the electrolyte plate (ie, the laser-focused side in Figure 6a) as well as the lower surface of the electrolyte plate (ie, the laser-emitting surface in Figure 6b) are shown. The redeposition of material that was ablated from the generated plasma was observed in the electrolyte plate in the form of ring patterns 108, but it was observed that the redeposition may be reduced, for example, by using ultra short pulsed lasers (<100 os), by heating the electrolyte plate 100 to elevated temperatures, or by using a purge gas or waste collection chamber. Figure 6a and Figure 6b illustrate that although the redeposited region is present (in the form of ring structures around the laser micro-machined through holes), there is no observable microfissure. The mechanical integrity of the cut edges was observed in accelerated aging by exposing the water vapor micro-machined holes at 105 ° C-108 ° C and 3.5-6.5 psi for about 115 hours. No accelerated transition to the monoclinic structure at the cut edges was observed compared to the loose material.

Exemplo IbExample Ib

As Figuras 7a e 7b são imagens SEM de bordasFigures 7a and 7b are SEM images of borders

retas microusinadas a laser com o equipamento de corte a laser descrito acima e as mesmas configurações, usando uma velocidade de corte de 1 mm/s. Velocidades de corte de 0,5 a 2 mm/s podem ser utilizadas, mas a velocidade de corte foi por fim 20 limitada à taxa de repetição do laser (isto é, a velocidade máxima é menor do que o diâmetro do tamanho de ponto x taxa de repetição). Mais especificamente, a Figura 7a mostra uma vista superior da superfície da borda microusinada a laser e a Figura 7b mostra uma vista lateral da superfície da borda microusinada. 25 A redeposição 108 é vista como uma faixa descolorida próxima à borda microusinada no lado onde incide o laser (vide a Figura 7a).laser-machined straight lines with the laser cutting equipment described above and the same configurations using a cutting speed of 1 mm / s. Cutting speeds of 0.5 to 2 mm / s may be used, but the cutting speed was ultimately limited to the laser repetition rate (ie the maximum speed is less than the point size diameter x repetition rate). More specifically, Figure 7a shows a top view of the surface of the laser microstrained edge and Figure 7b shows a side view of the surface of the microssinated edge. Redeposition 108 is seen as a discolored strip near the micro-machined edge on the laser side (see Figure 7a).

Exemplos usando a configuração de laser ns #2 (Exemplo 2 a 4F)Examples Using Laser Configuration # 2 (Example 2 to 4F)

Em outra concretização de um sistema deIn another embodiment of a system of

microusinagem a laser para corte a laser (nanosegundo) da placa de eletrólito baseada em zircônia sinterizada, foi utilizado um laser NdiYVO4 de frequência quadruplicada, produzido pela Spectra-Physics (HIPPO-266QW) (Exemplos 2 a 3B). O ío comprimento de onda de saída desse laser exemplificativo é de 266 nm. O laser ns 160, operando a uma taxa de repetição de 30 a 120 kHz, possui uma potência pico de laser de aproximadamente 2,5 W e uma duração de pulso de menos de 15 ns de acordo com as especificações do fabricante. Um expansor de feixe óptico 3X (BE) e com uma lente telecêntrica de comprimento focal de 10,3 cm Li foram utilizados em conjunto com o laser 160 para cortar a placa de eletrólito 100 (Figura 8). A ablação por pulso único nas amostras de teste de eletrólito mostrou que o tamanho do ponto focal do feixe de laser (cintura do feixe) possui cerca de 20 μιη de diâmetro.laser micromachining for laser cutting (nanosecond) of the sintered zirconia-based electrolyte plate, a quadruplicated frequency NdiYVO4 laser produced by Spectra-Physics (HIPPO-266QW) (Examples 2 to 3B) was used. The output wavelength of this exemplary laser is 266 nm. The ns 160 laser, operating at a repetition rate of 30 to 120 kHz, has a peak laser power of approximately 2.5 W and a pulse duration of less than 15 ns according to the manufacturer's specifications. A 3X optical beam expander (BE) and a 10.3 cm Li focal length telecentric lens were used in conjunction with the laser 160 to cut the electrolyte plate 100 (Figure 8). Single pulse ablation in the electrolyte test samples showed that the focal point size of the laser beam (beam waist) is about 20 μιη in diameter.

Exemplo 2Example 2

Com uma potência de laser óptico de 1,7 W, a luz polarizada paralelo à direção de corte, e uma taxa de repetição de 30 kHz, uma velocidade de 40 mm/s foi obtida com boa reprodutibilidade. O nível de fluência foi calculado como sendo de aproximadamente 18 J/cm2. As imagens SEM das bordas da placa de eletrólito (cortadas a laser de nanosegundo de 266 nm) da placa de eletrólito dessa concretização exemplifícativa são apresentadas nas Figuras 9a a 9c. A Figura 9a ilustra uma vista em corte transversal de uma borda cortada a laser. Note que o 5 laser provocou ablação da área no topo e da superfície de fratura na parte inferior. A Figura 9b ilustra o perfil de borda de uma borda cortada a laser (se afastando da figura). A Figura 9c é similar à da Figura 9a, mas apresenta uma ampliação maior de uma seção transversal da borda cortada a laser. Ela também ío ilustra os efeitos dos pulsos de laser individuais na região de ablação superior.With an optical laser power of 1.7 W, polarized light parallel to the cutting direction, and a repetition rate of 30 kHz, a speed of 40 mm / s was obtained with good reproducibility. The creep level was calculated to be approximately 18 J / cm2. SEM images of the electrolyte plate edges (266 nm nanosecond laser cut) of the electrolyte plate of this exemplary embodiment are shown in Figures 9a to 9c. Figure 9a illustrates a cross-sectional view of a laser cut edge. Note that the laser caused ablation of the top area and the bottom fracture surface. Figure 9b illustrates the edge profile of a laser cut edge (away from the figure). Figure 9c is similar to Figure 9a, but shows a larger magnification of a laser cut edge cross section. It also illustrates the effects of individual laser pulses on the upper ablation region.

As imagens SEM nas Figuras 9a a 9c mostram que, nas condições usadas neste exemplo, aproximadamente 7 μιη de material de zircônia foram removidos pelo processo de ablação a laser (região de ablação 110 das Figuras 9a a 9c) antes do restante do material do eletrólito de zircônia ter sido autofraturado por tensão térmica (região fraturada 112). A tensão térmica de tração foi gerada pela diferença de temperatura entre as superfícies superior e inferior da placa de eletrólito cerâmica sinterizada. Isso contrasta fortemente com o processo de corte a laser de femtosegundo, em que o corte é obtido pela ablação de todos os materiais e se observa efeito térmico desprezível. A microusinagem a laser (Exemplos 2-4) produz um efeito de autoclivagem ou autofratura que aumenta a velocidade de corte. As demonstrações de corte de borda foram realizadas com o laser ns com taxas de repetição de 30 a 50 kHz e velocidades de translação de estágio de amostra de 25 a 40 mm/s. Em 30 kHz, de acordo com algumas concretizações, a potência média do laser incidente sobre a placa de eletrólito foi de 1,7W, e a 50 kHz, a potência média do laser incidente sobre a placa de eletrólito foi de 5 1,5 W. Outros métodos de microusinagem a laser de detalhes definidos e de criar tensão para corte através da fratura das placas de eletrólito também são possíveis. Por exemplo, sistemas de laser fs e outros, parâmetros do sistema, e forças externas aplicadas também podem ser utilizadas, ío As Figuras 9a a 9c ilustram características deThe SEM images in Figures 9a to 9c show that, under the conditions used in this example, approximately 7 μιη of zirconia material was removed by the laser ablation process (ablation region 110 of Figures 9a to 9c) prior to the remaining electrolyte material. zirconia have been self-fractured by thermal stress (fractured region 112). The tensile thermal stress was generated by the temperature difference between the upper and lower surfaces of the sintered ceramic electrolyte plate. This is in stark contrast to the femtosecond laser cutting process, where cutting is achieved by ablating all materials and having a negligible thermal effect. Laser micro-machining (Examples 2-4) produces a self-cleaving or self-breaking effect that increases cutting speed. Edge cutting demonstrations were performed with the ns laser with repetition rates of 30 to 50 kHz and sample stage translation speeds of 25 to 40 mm / s. At 30 kHz, according to some embodiments, the average laser power incident on the electrolyte plate was 1.7 W, and at 50 kHz the average laser power incident on the electrolyte plate was 5 1.5 W Other methods of defined-detail laser micro-machining and stress-cutting by fracturing electrolyte plates are also possible. For example, fs and other laser systems, system parameters, and applied external forces may also be used. Figures 9a to 9c illustrate features of

morfologia de bordas sinterizadas e cortadas a laser. A parte que sofreu ablação a laser forma o nível de borda (região 110) ilustrado na Figura 9b. A ablação a laser de nanosegundo do eletrólito é acompanhada pela fusão local (zona ou região 114) 15 com cristais de maior dimensão, como mostra a Figura 9c. Na Figura 9c, os traços de pulso individuais 116 são claramente visíveis. A parte fraturada do material (região 112) apresenta uma natureza granular. O processo de autofratura é provocado pela tensão térmica gerada pela absorção da luz do laser no material.morphology of sintered and laser cut edges. The laser ablated portion forms the edge level (region 110) illustrated in Figure 9b. Nanosecond laser ablation of the electrolyte is accompanied by local fusion (zone or region 114) 15 with larger crystals, as shown in Figure 9c. In Figure 9c, the individual pulse strokes 116 are clearly visible. The fractured part of the material (region 112) has a granular nature. The self-fracturing process is caused by the thermal stress generated by the absorption of laser light into the material.

Exemplo 3AExample 3A

Examinamos também a rugosidade da superfície da borda obtida em função da técnica de corte. Além das diferenças no formato da borda dependendo do método de corte como descrito no Exemplo 2, também existem diferenças na 25 rugosidade da face da borda. Para observar essas diferenças, bordas cortadas sob variadas condições foram avaliadas usando um interferômetro óptico. A rugosidade de cada face de borda foi medida sobre uma área de 0,09 mm x 0,01 mm. Essas áreas foram selecionadas para evitar o canto chanfrado (região 110) similar ao descrito no Exemplo 2 e mostrado nas Figuras 9a a 9c que de 5 outro modo teriam resultado em dados contra-refletidos perdidos. As faces de borda criadas pela microusinagem a laser do eletrólito sinterizado com o laser fs (descrito adiante como configuração de laser alternativa) e com o laser ns (descrito no Exemplo 2) foram avaliadas. Além disso, as bordas criadas pelo corte mecânico e ío pelo corte a laser de CO2 do eletrólito não-sinterizado foram avaliadas após serem sinterizadas. Todos os pontos de dados apresentados são valores cuja média foi calculada com 4 medições da mesma face de borda.We also examined the roughness of the edge surface obtained as a function of the cutting technique. In addition to differences in edge shape depending on the cutting method as described in Example 2, there are also differences in edge face roughness. To observe these differences, edges cut under varying conditions were evaluated using an optical interferometer. The roughness of each edge face was measured over an area of 0.09 mm x 0.01 mm. These areas were selected to avoid the beveled corner (region 110) similar to that described in Example 2 and shown in Figures 9a through 9c which would otherwise have resulted in lost counter-reflected data. The edge faces created by laser micromachining of the fs-sintered electrolyte (described below as an alternate laser configuration) and the ns laser (described in Example 2) were evaluated. In addition, the edges created by mechanical cutting and CO2 laser cutting of the non-sintered electrolyte were evaluated after being sintered. All data points presented are values averaged over 4 measurements from the same edge face.

As Figuras 10a a 10c mostram os valores de rugosidade pico-vale, rms e Ra para a superfície de borda cortada a laser ns (266 nm) em função da velocidade de corte. Essas figuras ilustram que os processos de corte mais rápidos resultam em menor rugosidade na superfície da borda. Ao ajustar a velocidade de corte, valores de rugosidade inferiores a 5,5 μηι (pico-vale), menores que 0,4 μηι (rms) e menores que 0,3 μηι (Ra) podem ser obtidos. As Figuras Ila a Ilc mostram os valores de rugosidade da superfície da borda obtidos em amostras cortadas a laser fs. As Figuras Ila a Ilc mostram dados de rugosidade de superfície em função da potência do laser. A Figura Ila mostra que a rugosidade pico-vale diminui à medida que a potência do laser diminui. Esses valores são geralmente maiores que os valores de rugosidade da face de borda do laser ns devido à ablação causada pelo laser fs. O processo de autoclivagem ou autofratura criado pelo corte a laser ns cria uma superfície de borda mais uniforme do que a obtida por corte mecânico.Figures 10a to 10c show the peak-valley roughness, rms and Ra values for the ns (266 nm) laser cut edge surface as a function of the cutting speed. These figures illustrate that faster cutting processes result in less roughness on the edge surface. By adjusting the cutting speed, roughness values less than 5.5 μηι (peak-valley), less than 0.4 μηι (rms) and less than 0.3 μηι (Ra) can be obtained. Figures 11a to 11c show the edge surface roughness values obtained in laser cut samples fs. Figures Ila through Ilc show surface roughness data as a function of laser power. Figure 11a shows that peak-valley roughness decreases as laser power decreases. These values are generally larger than the roughness values of the ns laser edge face due to the ablation caused by the fs laser. The self-cleaving or self-breaking process created by laser cutting ns creates a more uniform edge surface than that obtained by mechanical cutting.

Para fins de comparação, placas de eletrólito brutas foram cortadas com (i) laser de CO2 (10-6 μιη) e (ii) mecanicamente com um gume de faca, e então sinterizadas. As amostras de eletrólito cortadas dentro do laser de CO2 no estado ío não-sinterizado e então sinterizadas tiveram valores de rugosidade de superfície de borda médios tão pequenos quanto: 13,04±1,21 μιη (pico-vale), 2,52±0,17 μιη (rms), e 1,90±0,07 μιη (Ra). As amostras que foram cortadas mecanicamente no estado não- sinterizado e então sinterizadas tiveram valores de rugosidade de 15 superfície de borda médios tão pequenos quanto: 5,63±0,79 um (pico-vale), 0,43±0,18 μιη (rms), e 0,32±0,15 μιη (Ra).For comparison, crude electrolyte plates were cut with (i) CO2 laser (10-6 μιη) and (ii) mechanically with a knife edge, and then sintered. Electrolyte samples cut into the non-sintered and then sintered CO2 laser had average edge surface roughness values as small as: 13.04 ± 1.21 μιη (peak-valley), 2.52 ± 0.17 μιη (rms), and 1.90 ± 0.07 μιη (Ra). Samples that were mechanically cut in the unsintered state and then sintered had mean edge surface roughness values as small as: 5.63 ± 0.79 µm (peak-valley), 0.43 ± 0.18 μιη (rms), and 0.32 ± 0.15 μιη (Ra).

O método de corte descrito acima produz uma placa de eletrólito com uma superfície de borda apresentando ablação maior do que 10% (vide, por exemplo, a região 110 20 apresentada nas Figuras 9a a 9c). De preferência, a superfície da borda apresenta entre 50% e 90% de fratura (Figuras 9a a 9c, região 112). A área de fratura 112 se diferencia claramente da área de ablação ou fusão 110 (vide a Figura 9c) pelo fato de que a superfície da fratura é reta, relativamente plana, e perpendicular 25 à superfície primária da placa de eletrólito, se comparado à superfície que sofreu ablação ou fusão que é mais arredondada e não perpendicular à superfície da placa de eletrólito. Menos preferido seria uma borda apresentando fusão parcial da superfície do eletrólito. Também é preferido um dispositivo com uma borda apresentando menos de 20% da circunferência 5 exibindo fratura que se desvia em mais de 100 micra (isto é, menos de 20% é desviado em mais de 100 μηι) da trajetória de ablação do laser. O desvio desta trajetória é um corte impreciso e representa uma imperfeição da placa de eletrólito acabada ou no dispositivo de célula a combustível. As principais causas desse ío desvio são: potência do laser, taxa de repetição ou velocidade inadequadas.The cutting method described above produces an electrolyte plate with an edge surface having ablation greater than 10% (see, for example, region 110 20 shown in Figures 9a to 9c). Preferably, the edge surface has between 50% and 90% fracture (Figures 9a to 9c, region 112). Fracture area 112 clearly differs from ablation or fusion area 110 (see Figure 9c) in that the fracture surface is straight, relatively flat, and perpendicular to the primary surface of the electrolyte plate compared to the surface of the fracture. that has suffered ablation or fusion that is more rounded and not perpendicular to the surface of the electrolyte plate. Less preferred would be an edge showing partial fusion of the electrolyte surface. Also preferred is a device with an edge having less than 20% of circumference 5 exhibiting fracture that deviates more than 100 microns (i.e. less than 20% deviates more than 100 μηι) from the laser ablation path. Deviation from this path is an inaccurate cut and represents an imperfection of the finished electrolyte plate or fuel cell device. The main causes of this deviation are: inadequate laser power, repetition rate or speed.

Exemplo 3BExample 3B

Esse exemplo demonstra a redeposição relacionada à ablação a laser. Referindo-se às imagens de microscópio óptico das Figuras 6a e 6b descritas acima, a área de redeposição 108 ao redor do furo de passagem usinado a laser é observada. O furo de passagem foi obtido por perfuração por percussão a laser com um laser Nd:YAG de 266 nm com uma duração de pulso de 10 ns e uma fluência de laser de 17 J/cm descrita na configuração de laser #1. As características dessa área de redeposição podem ser controladas variando as condições de exposição ao laser (comprimento de onda, duração de pulso, energia de pulso, velocidade de corte, taxa de repetição), bem como a temperatura da amostra, e o gás de purga e/ou vácuo (por exemplo, sua presença ou ausência, quantidade de vácuo aplicada, quantidade e composição do gás de purga) ou outros parâmetros. Para obter mais informações sobre a zona de redeposição, uma análise XPS (Espectroscopia de Fotoelétrons por Raios-X) foi realizada. As bordas que foram mecanicamente cortadas no estado bruto e então sinterizada, bem como as bordas 5 cortadas com um laser ns após a sinterização foram avaliadas. Especificamente, a configuração do laser ns #2 descrita (laser NdiYVO4 de frequência quadruplicada, Spectra-Physics HIPPO- 266QW) foi usada para criar a borda usinada a laser a uma velocidade de corte de 35 mm/s. As Figuras 12a e 12b mostram ío os dados de perfil de linha XPS das concentrações relativas de ítrio e zircônio na superfície da amostra em função da distância da borda. A Figura 12a mostra que o nível de zircônio permanece a um nível relativo de aproximadamente 80% e o nível de ítrio está a um nível relativo de aproximadamente 20% dentro de 1200 μιη 15 da borda cortada mecanicamente e sinterizada. A Figura 12b mostra dados XPS da mesma amostra, mas de uma borda que foi microusinada a laser. Isso mostra que o nível relativo de zircônio é de aproximadamente 90% e o nível relativo de ítrio é de aproximadamente 10% dentro de 200 μιη da borda usinada a 20 laser. Cerca de 1000 μιη da borda usinada a laser, embora esses níveis transitem para os observados na borda cortada mecanicamente. O material redepositado observado próximo à borda microusinada a laser tem uma razão de concentração de zircônio-para-ítrio superior.This example demonstrates laser ablation-related redeposition. Referring to the optical microscope images of Figures 6a and 6b described above, the redeposition area 108 around the laser machined through hole is observed. The through hole was obtained by laser percussion drilling with a 266 nm Nd: YAG laser with a pulse duration of 10 ns and a laser fluency of 17 J / cm described in laser configuration # 1. The characteristics of this redeposition area can be controlled by varying the laser exposure conditions (wavelength, pulse duration, pulse energy, cutting speed, repetition rate), as well as sample temperature and purge gas. and / or vacuum (e.g., its presence or absence, amount of vacuum applied, amount and composition of purge gas) or other parameters. For more information on the redeposition zone, an XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy) analysis was performed. Edges that were mechanically cut in the raw state and then sintered, as well as edges 5 cut with an ns laser after sintering were evaluated. Specifically, the described # 2 laser configuration (quadrupled frequency NdiYVO4 laser, Spectra-Physics HIPPO-266QW) was used to create the laser machined edge at a cutting speed of 35 mm / s. Figures 12a and 12b show the XPS line profile data of the relative concentrations of yttrium and zirconium on the sample surface as a function of edge distance. Figure 12a shows that the zirconium level remains at a relative level of approximately 80% and the yttrium level is at a relative level of approximately 20% within 1200 μιη 15 of the mechanically cut and sintered edge. Figure 12b shows XPS data from the same sample, but from an edge that has been laser machined. This shows that the relative level of zirconium is approximately 90% and the relative level of yttrium is approximately 10% within 200 μιη of the laser machined edge. About 1000 μιη from the laser-machined edge, although these levels carry over to those observed at the mechanically cut edge. The redeposited material observed close to the laser microusinate edge has a higher zirconium-to-yttrium concentration ratio.

Exemplos 4A-4F A configuração do sistema de microusinagem a laser para corte e/ou perfurações de orifícios nas placas de eletrólito cerâmicas sinterizadas 100 usadas no Exemplo 4A-4F é similar à dos Exemplos 2, 3A e 3B (apresentados na Figura 8).Examples 4A-4F The configuration of the laser micro-machining system for cutting and / or drilling holes in the sintered ceramic electrolyte plates 100 used in Example 4A-4F is similar to that of Examples 2, 3A and 3B (shown in Figure 8).

No entanto, o sistema de microusinagem a laser dos Exemplos 4A a 4F utiliza o laser NdiYVO4 de frequência triplicada 160 com um comprimento de onda de saída de 355 nm. Tal laser é disponibilizado, por exemplo, pela Coherent, Inc. (e.g., COHERENT AVIA-X). O sistema de microusinagem a laser dos ío Exemplos 4A-4F também inclui uma multiplicidade de espelhos Mi que direcionam o feixe de laser para um galvo-varredor (galvo-scanner)/lente f-θ. O galvo-varredor/lente f-θ é centralizado no eixo geométrico Z, perpendicular ao estágio XY Si. (O galvo-varredor/ lente f-θ é indicado como lente Li, que, 15 nesta concretização, é o dispositivo de varredura Scanlab HurryScan 10 com uma lente telecêntrica de comprimento focal de 100). Durante o processo de microusinagem a laser, a placa de eletrólito sinterizada 100 foi suportada por um estágio XY móvel Si, e a lente Lj direcionou o feixe de laser focalizado para a placa 20 de eletrólito 100. A placa de eletrólito 100 tinha composição e espessura substancialmente similares às descritas no pedido de patente US 2004/0265663. O laser NdiYVO4 160 tem um valor M2 (M2 é o fator de qualidade do feixe) de menos que 1,3 e um diâmetro de saída de 3,5 mm. Em alguns experimentos, um 25 expansor de feixe 3X opcional (BE) foi usado para expandir o feixe de laser fornecido pelo laser 160. O diâmetro nominal do 2However, the laser micromachining system of Examples 4A to 4F utilizes the triple frequency NdiYVO4 laser 160 with an output wavelength of 355 nm. Such a laser is available, for example, from Coherent, Inc. (e.g., COHERENT AVIA-X). The Examples 4A-4F laser micromachining system also includes a plurality of mirrors Mi that direct the laser beam to a galvo-scanner / f-θ lens. The sweeper / lens f-θ is centered on the Z axis, perpendicular to the XY Si stage. (The sweeper / lens f-θ is indicated as the Li lens, which, in this embodiment, is the Scanlab scanning device. HurryScan 10 with a focal length telecentric lens of 100). During the laser micro-machining process, the sintered electrolyte plate 100 was supported by a mobile XY Si stage, and the lens Lj directed the focused laser beam to the electrolyte plate 20. The electrolyte plate 100 had composition and thickness. substantially similar to those described in US patent application 2004/0265663. The NdiYVO4 160 laser has an M2 value (M2 is the beam quality factor) of less than 1.3 and an output diameter of 3.5 mm. In some experiments, an optional 3X beam expander (BE) was used to expand the laser beam provided by laser 160. The nominal diameter of the 2

feixe l/e do feixe expandido foi de 10,5 mm. Nessas concretizações exemplificativas, a abertura de entrada do galvo- varredor é de 10 mm, logo existe certo recorte do feixe. O tamanho do ponto focal l/e do feixe de laser na placa de 5 eletrólito 100 foi de cerca de 6,1 μηι. A menos que seja mencionado de alguma outra forma, a potência do laser e, conseqüentemente, a energia do pulso de laser é medida na superfície da placa de eletrólito.beam w / e of the expanded beam was 10.5 mm. In these exemplary embodiments, the inlet opening of the shuttle sweeper is 10 mm, so there is some beam clipping. The focal point size l / e of the laser beam on the 100 electrolyte plate 100 was about 6.1 μηι. Unless otherwise stated, the laser power and hence the energy of the laser pulse is measured on the surface of the electrolyte plate.

Mais especificamente, as placas finas de ío eletrólito baseadas em zircônia sinterizadas 100 foram estendidas sobre o estágio XY Si. As placas de eletrólito 100 foram produzidas por processos de sinterização e colagem de pó, barbotina e fitas. Esses processos produzem placas de eletrólito 100 com um lado parecendo mais brilhante do que o outro. O 15 lado mais brilhante da placa do eletrólito é o lado da placa que encostava no filme de suporte de colagem de fitas. Salvo indicação em contrário, o corte a laser e a perfuração com o sistema de microusinagem dos Exemplos 4A-4F foram realizados com a luz do laser incidente sobre o lado brilhante. A focalização 20 ideal é obtida pelo ajuste da distância ao longo do eixo z. O corte é obtido pela translação do material do eletrólito com o estágio XY. A perfuração dos furos de passagem foi realizada usando o varredor (isto é, movendo o feixe de laser focalizado em relação à placa de eletrólito).More specifically, the sintered zirconia-based thin electrolyte plates 100 were extended over the XY Si stage. The electrolyte plates 100 were produced by sintering and bonding processes of dust, slip and tapes. These processes produce 100 electrolyte plates with one side appearing brighter than the other. The brightest side of the electrolyte plate is the side of the plate that touched the tape bonding support film. Unless otherwise indicated, laser cutting and drilling with the micro-machining system of Examples 4A-4F were performed with laser light incident on the bright side. Optimal focus 20 is achieved by adjusting the distance along the z axis. The cut is obtained by translating the electrolyte material with the XY stage. The drilling of the through holes was performed using the sweeper (ie, moving the focused laser beam relative to the electrolyte plate).

Corte a laser das placas de eletrólitoLaser cutting of electrolyte plates

sinterizadas Exemplo 4A: No sistema de microusinagem a laser do Exemplo 4a, um expansor de feixe opcional 3X foi utilizado para expandir o feixe de laser fornecido pelo laser NdiYVO4 160. Nesta concretização exemplificativa, a energia de 5 pulso do feixe de laser foi de 102 μJ e a taxa de repetição do pulso de laser foi de 50 kHz. A potência do laser incidente nas placas de eletrólito foi de 5,1 W. O feixe de laser foi polarizado linearmente com o vetor de polarização a cerca de 75° em relação à direção de corte. Uma velocidade de corte de 160 mm/s foi ío obtida com a separação ordenada nas peças de placa de eletrólito. O nível de fluência do laser no material do eletrólito (cerâmico) sinterizado foi de cerca de 350 J/cm2. Esse nível de fluência está acima do limiar de ablação do laser no comprimento de onda de 355 nm. Um total de 21 amostras de placa de eletrólito com uma 15 dimensão de 2 cm χ 8 cm foram preparadas cortando as placas de eletrólito sinterizadas com o sistema de microusinagem a laser do Exemplo 4A e subseqüentemente a resistência foi testada usando o método de curvatura de 2 pontos. Os resultados do teste são descritos mais adiante no presente relatório.Example 4A: In the laser micromachining system of Example 4a, an optional 3X beam expander was used to expand the laser beam provided by the NdiYVO4 160 laser. In this exemplary embodiment, the 5-pulse energy of the laser beam was 102 μJ and the laser pulse repetition rate was 50 kHz. The incident laser power on the electrolyte plates was 5.1 W. The laser beam was linearly polarized with the polarization vector at about 75 ° from the cutting direction. A cutting speed of 160 mm / s was obtained with the orderly separation of the electrolyte plate parts. The laser creep level in the sintered (ceramic) electrolyte material was about 350 J / cm2. This level of creep is above the laser ablation threshold at the wavelength of 355 nm. A total of 21 electrolyte plate samples with a dimension of 2 cm χ 8 cm were prepared by cutting the sintered electrolyte plates with the laser micromachining system of Example 4A and subsequently the resistance was tested using the 2-inch bending method. points. The test results are described later in this report.

Exemplo 4B: No sistema de microusinagem aExample 4B: In the micro-machining system the

laser do Exemplo 4B, um expansor de feixe opcional 3X foi utilizado para expandir o feixe de laser fornecido pelo laser NdiYVO4 160. Nesta concretização exemplificativa, a energia de pulso do feixe de laser foi de 95 μJ e a taxa de repetição do pulso 25 foi de 50 kHz. A potência do laser incidente nas placas de eletrólito foi de 4,8 W. O feixe de laser foi polarizado linearmente com o vetor de polarização a cerca de 75° em relação à direção de corte. Uma velocidade de corte de 120 mm/s foi obtida com a separação ordenada nas peças de placa de eletrólito. O nível de fluência do laser no material foi de aproximadamente 5 330 J/cm . O nível de fluência está acima do limiar de ablação do laser no comprimento de onda de 355 nm. Um total de 29 amostras de placa de eletrólito com uma dimensão de 2 cm χ 8 cm foram preparadas cortando as placas de eletrólito sinterizadas com o sistema de microusinagem a laser do Exemplo 4B e ío subseqüentemente a resistência foi testada usando o método de curvatura de 2 pontos. Os resultados do teste são descritos mais adiante no presente relatório.Example 4B, an optional 3X beam expander was used to expand the laser beam provided by the NdiYVO4 160 laser. In this exemplary embodiment, the laser energy of the laser beam was 95 μJ and the pulse repetition rate 25 was 50 kHz. The incident laser power on the electrolyte plates was 4.8 W. The laser beam was linearly polarized with the polarization vector at about 75 ° from the cutting direction. A cutting speed of 120 mm / s was obtained with the orderly separation of the electrolyte plate parts. The laser creep level on the material was approximately 5 330 J / cm. The creep level is above the laser ablation threshold at the 355 nm wavelength. A total of 29 electrolyte plate samples with a size of 2 cm χ 8 cm were prepared by cutting the sintered electrolyte plates with the Example 4B laser micromachining system and subsequently the resistance was tested using the 2-mm bending method. points. The test results are described later in this report.

Exemplo 4C: No sistema de microusinagem a laser do Exemplo 4C, um expansor de feixe opcional 3X foi utilizado para expandir o feixe de laser fornecido pelo laser NdiYVO4160. Nesta concretização exemplificativa, a energia de pulso do feixe de laser foi de 21 μJ e a taxa de repetição do pulso foi de 125 kHz. Assim, a energia de pulso nesta concretização é cerca de 5 vezes menor e a taxa de repleção de pulso foi cerca de 2,5 vezes maior que a dos Exemplos 4A e 4B. A potência do laser incidente nas placas de eletrólito sinterizadas foi de 2,6 W. O feixe de laser foi polarizado circularmente usando uma placa quarto de onda. Uma velocidade de corte de 100 mm/s foi obtida com a separação ordenada nas peças de placa de eletrólito. O nível de fluência da luz do laser no material da placa de eletrólitoExample 4C: In the Example 4C laser micro-machining system, an optional 3X beam expander was used to expand the laser beam provided by the NdiYVO4160 laser. In this exemplary embodiment, the laser beam pulse energy was 21 μJ and the pulse repetition rate was 125 kHz. Thus, the pulse energy in this embodiment is about 5 times lower and the pulse replenishment rate was about 2.5 times higher than that of Examples 4A and 4B. The incident laser power on the sintered electrolyte plates was 2.6 W. The laser beam was circularly polarized using a quarter wave plate. A cutting speed of 100 mm / s was obtained with the orderly separation of the electrolyte plate parts. The creep level of laser light on electrolyte plate material

2 r A · f2 r A · f

sinterizado foi de cerca de 73 J/cm . O nível de fluência está acima do limiar de ablação do laser no comprimento de onda de 355 nm. Um total de 17 amostras de placa de eletrólito com uma dimensão de 2 cm χ 8 cm foram preparadas cortando as placas de eletrólito sinterizadas com o sistema de microusinagem a laser do 5 Exemplo 4C e subseqüentemente a resistência foi testada usando o método de curvatura de 2 pontos. Os resultados do teste são descritos mais adiante no presente relatório.sintered was about 73 J / cm. The creep level is above the laser ablation threshold at the 355 nm wavelength. A total of 17 electrolyte plate samples with a size of 2 cm χ 8 cm were prepared by cutting the sintered electrolyte plates with the 5 Example 4C laser micromachining system and subsequently the resistance was tested using the 2 bend method. points. The test results are described later in this report.

Exemplo 4D: O sistema de microusinagem a laser do Exemplo 4D utilizou um feixe de laser de 355 nm não ío expandido para cortar placas de eletrólito (ou seja, nenhum expansor de feixe é utilizado). Nesta concretização exemplificativa, o diâmetro do feixe de laser na lente de focalização foi estimado como sendo de cerca de 4 mm. O corte a laser das placas de eletrólito sinterizadas foi realizado com energia de pulso de laser de 194 μJ (no material do eletrólito) e taxa de repetição de 50 kHz. Assim, a energia de pulso fornecida pelo laser do Exemplo 4D foi maior do que a fornecida pelos lasers dos Exemplos 4A-4C. O feixe de laser foi polarizado circularmente usando uma placa quarto de onda. Uma velocidade de corte de 260 mm/s foi obtida com a separação ordenada nas peças de eletrólito. O nível de fluência do laser no material foi estimado como sendo de 108 J/cm . Um total de 26 amostras de placa de eletrólito com uma dimensão de 2 cm χ 8 cm foram preparadas cortando as sinterizadas escolhidas e subseqüentemente a resistência foi testada usando o método de curvatura de 2 pontos. Os resultados do teste são descritos mais adiante no presente relatório.Example 4D: The laser micromachining system of Example 4D used a non-expanded 355 nm laser beam to cut electrolyte plates (ie no beam expander is used). In this exemplary embodiment, the diameter of the laser beam in the focusing lens was estimated to be about 4 mm. Laser cutting of the sintered electrolyte plates was performed with laser pulse energy of 194 μJ (on the electrolyte material) and 50 kHz repetition rate. Thus, the pulse energy provided by the laser of Example 4D was greater than that provided by the lasers of Examples 4A-4C. The laser beam was circularly polarized using a quarter wave plate. A cutting speed of 260 mm / s was obtained with the orderly separation of the electrolyte parts. The laser fluency level in the material was estimated to be 108 J / cm. A total of 26 electrolyte plate samples with a size of 2 cm χ 8 cm were prepared by cutting the chosen sintered ones and subsequently the resistance was tested using the 2-point bending method. The test results are described later in this report.

Separadamente, 20 amostras controle de placa de eletrólito de 2 cm χ 8 cm foram cortadas mecanicamente a partir da placa “bruta” e então sinterizadas. Elas também foram testadas usando o método de curvatura de 2 pontos.Separately, 20 control samples of 2 cm χ 8 cm electrolyte plate were mechanically cut from the “raw” plate and then sintered. They were also tested using the 2-point curvature method.

As Figuras 13a a 13c ilustram uma face de borda de uma superfície cortada a laser da amostra de placa de eletrólito preparada usando o sistema de microusinagem a laser do ío Exemplo 4A. A Figura 13a mostra a seção transversal da face de borda microusinada da superfície microusinada a laser. A Figura 13b mostra a seção transversal da superfície da face de borda microusinada em uma ampliação maior. A Figura 13c ilustra o perfil de borda de uma borda cortada a laser (se afastando da 15 figura). A profundidade gravada (a profundidade do sulco cortado a laser) foi de cerca de 8 μιη. As Figuras 13a a 13c ilustram que certa deposição, bem como o material fundido, estão presentes ao longo da borda cortada a laser.Figures 13a to 13c illustrate an edge face of a laser cut surface of the electrolyte plate sample prepared using the Example 4A micro-machining system. Figure 13a shows the cross section of the micro-machined edge face of the laser micro-machined surface. Figure 13b shows the cross-sectional surface of the micro-machined edge face at a higher magnification. Figure 13c illustrates the edge profile of a laser cut edge (away from figure 15). The engraved depth (the depth of the laser cut groove) was about 8 μιη. Figures 13a to 13c illustrate that certain deposition as well as molten material is present along the laser cut edge.

A Figura 14a é um perfil XPS mostrando a 20 alteração nas concentrações relativa de ítrio e zircônio em função da distância da borda cortada a laser produzida pelo sistema de microusinagem a laser do Exemplo 4a. Os perfis de linha para a borda cortada a laser (Figuras 14a) mostram que a razão relativa de Zr:Y se altera de um valor de cerca de 92:8 na borda para um 25 valor de cerca de 80:20 em direção ao centro da amostra de placa de eletrólito. Em contrapartida, os perfis de linha em função da distância das bordas cortadas mecanicamente (Figura 14b) de uma amostra controle (cortada em um estado bruto e depois sinterizada) mostram apenas uma pequena quantidade de alteração na razão Zr:Y, que é de cerca de 80:20 ao longo da distância da borda da amostra sinterizada.Figure 14a is an XPS profile showing the change in relative concentrations of yttrium and zirconium as a function of the laser cut edge distance produced by the laser micromachining system of Example 4a. The laser cut edge line profiles (Figures 14a) show that the relative ratio of Zr: Y changes from a value of about 92: 8 at the edge to a value of about 80:20 toward the center. of the electrolyte plate sample. In contrast, line profiles as a function of the distance from the mechanically cut edges (Figure 14b) of a control sample (cut in a raw state and then sintered) show only a small amount of change in the Zr: Y ratio, which is about 80:20 along the distance from the edge of the sintered sample.

As Figuras 15a a 15c mostram imagens SEM (microscópio eletrônico de varredura) de bordas cortadas a laser produzidas pelo sistema de microusinagem a laser do Exemplo 4C. Neste exemplo, de acordo com as imagens SEM, a ío profundidade de gravação do laser foi de cerca de 13 μιη ou cerca de 50% através da espessura do material. Uma vez que a potência do laser incidente foi de apenas 2,6 W, a força de tração resultante produzida pelo aquecimento do feixe de laser foi relativamente pequena. Portanto, o material da placa de eletrólito foi gravado a 15 uma profundidade maior do que a dos Exemplos 4a e 4b de modo a permitir que a placa de eletrólito gravada se separe ou divida pela técnica de fratura controlada. Neste exemplo, a quantidade de ablação a laser resultou em acúmulo de tensão, que, por sua vez, resultou em fissuras ao longo da face da borda do eletrólito. 20 Essas fissuras podem ser prejudiciais à resistência da borda, e, portanto, não são desejadas. A Figura 15b também mostra o crescimento granular colunas G (cerca de 3 μιη, verticalmente) que resultou da microusinagem a laser sob essas condições.Figures 15a to 15c show SEM (scanning electron microscope) images of laser cut edges produced by the laser micromachining system of Example 4C. In this example, according to the SEM images, the laser engraving depth was about 13 μιη or about 50% across the thickness of the material. Since the incident laser power was only 2.6 W, the resulting tensile force produced by heating the laser beam was relatively small. Therefore, the electrolyte plate material was etched to a depth greater than that of Examples 4a and 4b to allow the etched electrolyte plate to separate or divide by the controlled fracture technique. In this example, the amount of laser ablation resulted in stress buildup, which in turn resulted in cracks along the electrolyte edge face. 20 These cracks can be detrimental to edge strength, and therefore are not desired. Figure 15b also shows the granular growth G columns (about 3 μιη vertically) that resulted from laser micromachining under these conditions.

As Figuras 16a a 16c ilustram a face de borda de uma peça de placa de eletrólito cortada a laser que foi produzida pelo sistema de microusinagem a laser do Exemplo 4D. A profundidade gravada (sulco produzido pelo feixe de laser) foi de cerca de 6 μηι ou cerca de 23% da espessura total da placa de eletrólito. Foi observado crescimento do cristal colocar de menos de 0,5 μιη de comprimento no limite entre a camada fundida e o 5 material não afetado. A borda fraturada é extremamente uniforme, não sendo observada nenhuma formação de fissura.Figures 16a-16c illustrate the edge face of a laser cut electrolyte plate part that was produced by the laser micromachining system of Example 4D. The recorded depth (groove produced by the laser beam) was about 6 μηι or about 23% of the total electrolyte plate thickness. Crystal growth has been observed to place less than 0.5 μιη in length at the boundary between the molten layer and the unaffected material. The fractured edge is extremely uniform and no crack formation is observed.

Os titulares testaram a resistência, usando o método de curvatura de 2 pontos, de todas as amostras de placa de eletrólito cortadas a laser produzidas pelos sistemas de ío microusinagem a laser dos Exemplos 4A-4D. Em relação à superfície onde incide o laser, as amostras cortadas foram testadas com essa superfície onde o laser incide sob tensão e compressão com diferentes conjuntos de amostra. Os dados de resistência de borda resultante foram traçados via uma Distribuição de Weibull como mostra a Figura 17. Mais especificamente, a Figura 17 mostra gráficos de resistência de borda (Mpa) vs. probabilidade (percentual) de falha. As condições do sistema de microusinagem a laser do Exemplo 4D produziram os maiores valores de resistência e menor probabilidade de falha (medida em %). Os dados de resistência indicados por Cl correspondem às amostras de placa de eletrólito produzidas pelos sistemas de microusinagem do Exemplo 4A; C2 corresponde às amostras de placa de eletrólito produzidas pelos sistemas de microusinagem do Exemplo 4B; C3 corresponde às amostras de placa de eletrólito produzidas pelos sistemas de microusinagem do Exemplo 4C; C4 corresponde às amostras de placa de eletrólito produzidas pelos sistemas de microusinagem do Exemplo 4D, e os últimos dois conjuntos de dados “sinterizados” correspondem às medições (lado brilhante sob tensão e lado brilhante sob compressão, respectivamente) das amostras controle (cortadas 5 mecanicamente no estado bruto). Quando as amostras de teste cortadas a laser foram colocadas sob tensão, o sistema de microusinagem a laser do Exemplo 4D (isto é, o sistema sem o expansor de feixe) teve o maior valor médio de 1390 MPa. O sistema de microusinagem a laser do Exemplo 4C (com o ío expansor de feixe no lugar correto) produziu o menor valor médio de 805 MPa. Para os resultados de resistência de borda para as amostras de teste cortadas a laser colocadas sob compressão, as amostras de placa de eletrólito cortadas com o sistema de microusinagem a laser do Exemplo 4D produziram o maior valor 15 médio, de 1698 MPa. As amostras de teste cortadas a laser produzidas pelo sistema de microusinagem a laser do Exemplo 4C (Expansor de Feixe no lugar coreto), sob compressão, produziram o menor valor médio de 790 MPa. O sistema de microusinagem a laser do Exemplo 4D é preferido, uma vez que tanto a resistência 20 à tração quanto a resistência à compressão das bordas cortadas a laser produzidas por essas condições do sistema é relativamente alta.Holders tested the resistance, using the 2-point bending method, of all laser cut electrolyte plate samples produced by the Examples 4A-4D laser micromachining systems. Regarding the surface where the laser hits, the cut samples were tested with this surface where the laser hits under stress and compression with different sample sets. The resulting edge resistance data were plotted via a Weibull Distribution as shown in Figure 17. More specifically, Figure 17 shows edge resistance (Mpa) vs. probability (percentage) of failure. The conditions of the Example 4D laser micromachining system produced the highest strength values and the least probability of failure (measured in%). The resistance data indicated by Cl correspond to the electrolyte plate samples produced by the micro-machining systems of Example 4A; C2 corresponds to the electrolyte plate samples produced by the micro-machining systems of Example 4B; C3 corresponds to the electrolyte plate samples produced by the micro-machining systems of Example 4C; C4 corresponds to the electrolyte plate samples produced by the Example 4D micro-machining systems, and the last two “sintered” data sets correspond to the measurements (bright side under stress and bright side under compression, respectively) of control samples (mechanically cut 5 in the raw state). When the laser cut test samples were tensioned, the laser micromachining system of Example 4D (i.e. the system without the beam expander) had the highest average value of 1390 MPa. The laser micromachining system of Example 4C (with the beam expander in place) produced the lowest average value of 805 MPa. For the edge strength results for the laser cut test samples placed under compression, the electrolyte plate samples cut with the laser micromachining system of Example 4D produced the highest average value of 1698 MPa. Laser-cut test samples produced by the Example 4C (Right Beam Expander) laser micromachining system under compression produced the lowest average value of 790 MPa. The laser micro-machining system of Example 4D is preferred since both the tensile strength and the compressive strength of the laser cut edges produced by these system conditions are relatively high.

A resistência das amostras cortadas a laser com o lado onde incide o laser sob compressão (com exceção das que foram cortadas com o sistema de microusinagem a laser do Exemplo 4C) foi melhor do que com o lado onde o laser incide sob forças de tração. Isso pode ser explicado pelos efeitos adversos da fusão e da zona afetada por calor ao redor do sulco que sofreu ablação a laser, que age como um iniciador de fratura. A colocação do lado brilhante do eletrólito sob tensões de 5 compressão para amostras de eletrólito que foram mecanicamente cortadas em um estado bruto produziu menos resistência do que a colocação do lado brilhante sob força de tração. Isso se deve ao fato de que a ondulação de borda se formou durante o processo de sinterização nas amostras cortadas mecanicamente. Essa 10 ondulação de borda é removida das amostras microusinadas a laser durante o corte a laser após a sinterização, de modo que a ondulação de borda não afete de maneira adversa a resistência.The strength of the laser cut samples with the side where the laser under compression (except those cut with the laser micromachining system of Example 4C) was better than with the side where the laser falls under tensile forces. This can be explained by the adverse effects of fusion and the heat affected zone around the laser ablated groove, which acts as a fracture initiator. Placing the bright side of the electrolyte under compressive stresses for electrolyte samples that were mechanically cut in a raw state produced less resistance than placing the bright side under tensile strength. This is due to the fact that edge curl formed during the sintering process on the mechanically cut samples. This edge curl is removed from the laser microplated samples during laser cutting after sintering, so that edge curl does not adversely affect resistance.

Perfuração a laser dos furos de passagem em placas de eletrólito sinterizadas Os efeitos térmicos precisam ser controlados eLaser drilling of through holes in sintered electrolyte plates Thermal effects need to be controlled and

minimizados durante a perfuração a perfuração das placas finas de cerâmica (por exemplo, placas de eletrólito baseadas em zircônia) de modo a evitar microfissuras. De preferência, isso é feito minimizando-se a quantidade de potência que incide sobre o 20 material de modo a diminuir o nível de tensão temporária. Os seguintes exemplos mostram algumas das condições exemplificativas que resultam na ausência de microfissuras ao redor do perímetro do furo.minimized during drilling the drilling of thin ceramic plates (eg zirconia-based electrolyte plates) to avoid micro-cracks. Preferably, this is done by minimizing the amount of power that hits the material in order to decrease the temporary stress level. The following examples show some of the exemplary conditions that result in the absence of micro cracks around the perimeter of the hole.

Os furos de passagem podem ser perfurados em placas de eletrólito sinterizadas usando uma técnica de trepanação. Os efeitos térmicos durante o processo de perfuração a laser precisam ser controlados cuidadosamente (como descrito abaixo, por exemplo, pela formação de padrões de pulso) de modo a evitar fissuras no material devido à dilatação térmica. Como tal, a perfuração dos furos de passagem é geralmente 5 realizada em múltiplos passes ao redor do perfil desejado. As técnicas de perfuração de múltiplos passes são capazes de reduzir a quantidade de acúmulo de gradiente térmico no processo de perfuração, dessa forma evitando a formação de microfissuras durante o processo.Through holes can be drilled into sintered electrolyte plates using a trepanning technique. Thermal effects during the laser drilling process need to be carefully controlled (as described below, for example, by the formation of pulse patterns) to avoid material cracking due to thermal expansion. As such, drilling of through holes is generally performed in multiple passes around the desired profile. Multi-pass drilling techniques are able to reduce the amount of thermal gradient buildup in the drilling process, thereby preventing the formation of micro cracks during the drilling process.

A fim de evitar a formação de fissuras nasIn order to prevent the formation of cracks in the

placas de eletrólito, a potência do laser é preferencialmente reduzida. Uma vez que a potência do laser é um produto da energia de pulso do laser e da taxa de repetição do pulso do laser, isso poderia ser obtido pela redução da energia do pulso ou da 15 taxa de repetição do laser. Além disso, a velocidade de varredura do feixe de laser precisa ser ajustada de modo correspondente, baseado em considerações de difusão térmica.electrolyte plates, the laser power is preferably reduced. Since laser power is a product of laser pulse energy and laser pulse repetition rate, this could be obtained by reducing pulse energy or laser repetition rate. In addition, the laser beam scan speed needs to be adjusted accordingly, based on thermal diffusion considerations.

Uma vez que a observação de microfissuras em uma única via requer microscópios ópticos de alta potência ou 20 SEMs, uma técnica alternativa para avaliar um método de perfuração consiste em perfurar uma série de furos espaçados próximos uns aos outros e observar se há formação de fissuras entre os furos. A Figura 18a e a Figura 18b são duas imagens ópticas de 4 furos de 60 um de diâmetro, afastadas em 250 um. 25 Utilizou-se energia de pulso a laser de 180 uJ e aproximadamente 25 passes foram necessários para perfurar através do material. Inicialmente, a uma taxa de repetição de laser maior do que cerca de 3 KHz e velocidade de varredura maior do que 60 mm/s, foram observadas fissuras ao longo dos furos. A Figura 18a é uma imagem óptica dos furos e das fissuras que avançam ao longo da 5 direção dos furos. As condições usadas foram: uma taxa de repetição de laser de 4 KHz, uma velocidade de varredura de 80 mm/s. À medida que a taxa de repetição de laser e a velocidade de varredura é reduzida, não há mais formação de fissuras ao longo da cadeia de furos de passagem. Isso é ilustrado na Figura ío 18b. As condições foram: uma taxa de repetição de laser de 3 KHz, uma velocidade de varredura de 60 mm/s. A análise adicional com imagens SEM dos furos individuais também não apresentou fissuras radiais observáveis ao longo do perímetro dos furos.Since single-path microcracking requires high-power optical microscopes or 20 SEMs, an alternative technique for evaluating a drilling method is to drill a series of closely spaced holes and to look for cracks between each other. the holes. Figure 18a and Figure 18b are two 4-hole optical images of 60 µm in diameter, 250 µm apart. 25 180 æl laser pulse energy was used and approximately 25 passes were required to pierce through the material. Initially, at a laser repetition rate greater than about 3 KHz and sweep rate greater than 60 mm / s, cracks were observed along the holes. Figure 18a is an optical image of the holes and cracks advancing along the direction of the holes. The conditions used were: a 4 kHz laser repetition rate, a scan speed of 80 mm / s. As the laser repetition rate and scanning speed is reduced, no cracking occurs along the through-hole chain. This is illustrated in Figure 18b. The conditions were: a 3 kHz laser repetition rate, a scan speed of 60 mm / s. Additional SEM imaging analysis of the individual holes also showed no observable radial cracks along the perimeter of the holes.

O exemplo de operação acima utiliza uma taxaThe above operation example uses a rate of

de repetição baixa para reduzir os efeitos térmicos. Na Figura 18c, é mostrado um exemplo usando a energia baixa de pulso de laser. Isso mostra uma imagem óptica dos furos de passagem perfurados sob condições de 21 uJ, uma taxa de repetição de laser 20 de 15,04 kHz e uma velocidade de varredura de 600 mm/s. Um total de 40 passes foi realizado para perfurar através do material.low repetition to reduce thermal effects. In Figure 18c, an example is shown using low laser pulse energy. This shows an optical image of the through holes drilled under 21 µJ conditions, a laser repeat rate of 15.04 kHz, and a sweep speed of 600 mm / s. A total of 40 passes were made to drill through the material.

De modo a obter furos com bordas uniformes, é importante considerar como os pulsos se sobrepõe entre os diferentes passes. Isso é importante quando o diâmetro do furo de passagem é consideravelmente maior do que o diâmetro do feixe de laser no foco. No exemplo a seguir, padrões de pulso de um furo de passagem de 60 um perfurado com a técnica de trepanação de múltiplos passes são analisados. Experimentalmente, foi descoberto que, com uma velocidade de 60 mm/s e uma taxa de repetição de laser de aproximadamente 3 5 kHz, levam aproximadamente 25 passes para perfurar através do material do eletrólito. O número de pulsos por passe é de aproximadamente 10. Na Figura 19, são ilustrados padrões de pulso em função do número de pulsos por passe. Os números de pulsos por passe são: a) 10+0/25; b) 10 + 1/25; c) 10+2/25; d) 10+ ío 3/25; e) 10+4/25; e f) 10+5/25. Claramente, os padrões apresentados na Figura 19b a Figura 19e produzem bordas uniformes, uma vez que os pulsos foram espalhados uniformemente ao redor do perímetro, ao passo que a Figura 19a e a Figura 19f resultam em um furo com bordas mais irregulares. 15 Em geral, sabendo o número de passes P, o melhor padrão de perfuração com a borda mais uniforme é obtido quando o pulso fracional por passe é i/P, onde Pz não é um número inteiro, 0<i<P (;i/P é uma fraca que poderia ser reduzida ou que i e P não compartilhassem um fator comum). O número de pulsos por passe 20 poderia ser otimizado ou alterando a velocidade de varredura ou a taxa de repetição do laser ligeiramente.In order to get holes with uniform edges, it is important to consider how the wrists overlap between different passes. This is important when the diameter of the through hole is considerably larger than the diameter of the laser beam in focus. In the following example, pulse patterns from a 60 μm bore hole drilled with the multi-pass trepanning technique are analyzed. Experimentally, it has been found that at a speed of 60 mm / s and a laser repetition rate of approximately 35 kHz, it takes approximately 25 passes to pierce through the electrolyte material. The number of pulses per pass is approximately 10. In Figure 19, pulse patterns as a function of the number of pulses per pass are illustrated. The pulse numbers per pass are: a) 10 + 0/25; b) 10 + 1/25; c) 10 + 2/25; d) 10 + 3/25; e) 10 + 4/25; and f) 10 + 5/25. Clearly, the patterns shown in Figure 19b and Figure 19e produce uniform edges, as the pulses are evenly spread around the perimeter, while Figure 19a and Figure 19f result in a hole with more uneven edges. In general, knowing the number of passes P, the best perforation pattern with the most uniform edge is obtained when the fractional pulse per pass is i / P, where Pz is not an integer, 0 <i <P (; i / P is a weak that could be reduced or that ie P did not share a common factor). The number of pulses per pass 20 could be optimized by changing the scanning speed or laser repetition rate slightly.

Exemplo 4E: O sistema de microusinagem a laser usado para perfurar furos de passagem neste exemplo é o sistema de microusinagem a laser dos Exemplos 4A a 4D. Um expansor de feixe 3x foi utilizado para expandir o feixe de laser. A perfuração a laser dos furos de passagem em placas de eletrólito de óxido sólido (baseadas em zircônia) sinterizadas foi realizada com um laser NdrYVO4 de frequência triplicada de 355 nm 160 fornecendo energia de pulso de 50 μJ e uma taxa de repetição de laser de 10 kHz. O nível de fluência no material do 5 eletrólito cerâmico foi estimado como sendo de 174 J/cm . Os furos de passagem foram perfurados varrendo o feixe de laser com um galvo varredor. A trepanação de múltiplos passes com uma velocidade de varredura de 100 mm/s foi utilizado neste exemplo. Aproximadamente 10 a 20 passes foram necessários ío para provocar a ablação através do material do eletrólito sinterizado com uma espessura de cerca de 22 μιη. As Figuras 20a, 20b são fotografias SEM de furos de passagem perfurados a laser. A Figura 20a é uma imagem SEM da vista superior do furo de passagem, ao passo que a Figura 20b é uma vista em 15 seção transversal. A Figura 20b também mostra um rebordo L formado do material cerâmico fundido (eletrólito baseado em zircônia) ao redor do furo de passagem perfurado. A altura do rebordo h é de cerca de 6 μηι ou 7 μηι. Nenhuma microfissura foi formada na periferia do furo. O rebordo L pode ser desbastado 20 com um laser até uma altura menor do que 5 μιη, de preferência menor do que 3 μιη, mais preferencialmente menor do que 2 μιη.Example 4E: The laser micro-machining system used to drill through holes in this example is the laser micro-machining system of Examples 4A to 4D. A 3x beam expander was used to expand the laser beam. Laser drilling of through holes in sintered solid oxide (zirconia) electrolyte plates was performed with a 355 nm triple frequency NdrYVO4 laser 160 providing 50 μJ pulse energy and a laser repeat rate of 10 kHz. The material creep level of the ceramic electrolyte was estimated to be 174 J / cm. The through holes were drilled by sweeping the laser beam with a sweeping galvo. Multi-pass trepanning with a sweep speed of 100 mm / s was used in this example. Approximately 10 to 20 passes were required to ablate through the sintered electrolyte material with a thickness of about 22 μιη. Figures 20a, 20b are SEM photographs of laser-drilled through holes. Figure 20a is an SEM image of the top view of the through hole, while Figure 20b is a cross-sectional view. Figure 20b also shows an edge L formed of molten ceramic material (zirconia based electrolyte) around the perforated through hole. The height of the edge h is about 6 μηι or 7 μηι. No microcracks were formed at the periphery of the hole. The edge L may be roughened 20 with a laser to a height of less than 5 μιη, preferably less than 3 μιη, more preferably less than 2 μιη.

Os furos de passagem nas placas de eletrólito servem para a finalidade de permitir que um condutor conecte catodo(s) a anodo(s) através da placa de eletrólito, conduzindo assim corrente entre os eletrodos através da placa de eletrólito. A formação do rebordo ao redor da periferia do furo de passagem pode impedir o fluxo de corrente e agir como um constritor de corrente, e de alguma outra forma criaria defeitos nas camadas formadas subseqüentemente do(s) dispositivo(s) de célula a combustível. Sendo assim, a formação do rebordo é indesejada.Through holes in the electrolyte plates are for the purpose of allowing a conductor to connect cathode (s) to anode (s) through the electrolyte plate, thereby conducting current between the electrodes through the electrolyte plate. The formation of the rim around the periphery of the through hole can impede current flow and act as a current constrictor, and would otherwise create defects in the subsequently formed layers of the fuel cell device (s). Therefore, the formation of the rim is undesirable.

Nota-se que a formação do rebordo não foi observada ou a altura do rebordo foi insignificativa com furos perfurados com lasers de 266 nm de nanosegundo. A razão para a formação de rebordo e fusão significativa, nesta concretização exemplificativa, pode ser devido à energia fotônica relativamente baixa dos lasers de 355 ío nm. Diferente dos fótons de 266 nm, que podem possivelmente romper as ligações químicas do material de zircônia, a ablação a laser de 355 nm é dominada pelo mecanismo de evaporação da fusão e aquecimento do laser. Se o processo de perfuração resultar em uma formação de rebordo significativa, é preferível 15 utilizar uma etapa de desbaste de rebordo a laser subseqüente para minimizar a altura do rebordo.Note that bead formation was not observed or bead height was insignificant with holes drilled with 266 nm nanosecond lasers. The reason for the edge formation and significant fusion in this exemplary embodiment may be due to the relatively low photonic energy of 355 nm lasers. Unlike 266 nm photons, which may possibly disrupt the chemical bonds of zirconia material, 355 nm laser ablation is dominated by the mechanism of fusion evaporation and laser heating. If the drilling process results in significant edge formation, it is preferable to use a subsequent laser edge roughing step to minimize edge height.

Exemplo 4F: O sistema de microusinagem a laser usado para perfurar fiiros de passagem neste exemplo é o sistema de microusinagem a laser dos Exemplos 4A a 4D. O 20 sistema de microusinagem a laser desse exemplo não utilizou o expansor de feixe, sendo assim, um feixe de laser de 355 nm não expandido foi usado nesta concretização. O diâmetro do feixe de laser na lente de focalização (L1) foi estimado como sendo de 4 mm. A cintura do feixe de laser na placa de eletrólito foi de 25 aproximadamente 20 μιη. A energia do pulso de laser foi de 194 μJ e a fluência do laser sobre o material foi de cerca de 108 J/cm . Um furo com um certo diâmetro de 60 μηι foi perfurado (microusinado a laser) através da placa de eletrólito sinterizada após cerca de 30 passes com uma taxa de repetição de laser de 4 kHz e uma velocidade de trepanação de 80 mm/s. Após o rebordo 5 ser desbastado com uma etapa de desbaste a laser, realizou-se a trepanação a um diâmetro de 90 um ao redor da mesma localização central. A etapa de desbaste envolvia 2 passes a uma velocidade de 80 mm/s com os mesmos parâmetros do laser (mesma energia de pulso e taxa de repetição de pulso). A ío principal diferença entre as etapas de perfuração e desbaste foram o(s) diâmetro(s) da trajetória do laser. O objetivo da etapa de desbaste é o de desbastar ligeiramente o rebordo formado durante a trepanação através do furo até uma altura h, em que h é preferencialmente menor do que 5 μιη, mais preferencialmente 15 menor do que 3 μηι, ainda mais preferencialmente menor do que 2 μιη, e o mais preferível, menor do que 1 μιη.Example 4F: The laser micro-machining system used to drill through-through wires in this example is the laser micro-machining system of Examples 4A to 4D. The laser micromachining system of this example did not utilize the beam expander, so an unexpanded 355 nm laser beam was used in this embodiment. The laser beam diameter at the focusing lens (L1) was estimated to be 4 mm. The laser beam waist on the electrolyte plate was 25 approximately 20 μιη. The laser pulse energy was 194 μJ and the laser creep on the material was about 108 J / cm. A hole with a certain diameter of 60 μηι was drilled (laser micro-machined) through the sintered electrolyte plate after about 30 passes with a 4 kHz laser repeat rate and a 80 mm / s burr rate. After the edge 5 was roughened with a laser roughing step, trepaning was performed to a diameter of 90 µm around the same central location. The roughing step involved 2 passes at a speed of 80 mm / s with the same laser parameters (same pulse energy and pulse repetition rate). The main difference between the drilling and roughing steps was the laser path diameter (s). The purpose of the roughing step is to slightly roughen the edge formed during trepanning through the hole to a height h, where h is preferably less than 5 μιη, more preferably 15 less than 3 μηι, even more preferably smaller than than 2 μιη, and most preferably, less than 1 μιη.

Uma série de 5 furos de passagem com um diâmetro de 60 μιη foi perfurada com um espaçamento centro-a- centro de 1000 μηι. Novamente, esses furos de passagem de 60 20 μηι de diâmetro também incorporaram uma etapa de desbaste de rebordo de borda com um círculo de 90 μιη de diâmetro (cintura do feixe de laser de cerca de 20 μηι). Além disso, uma série de 5 furos de passagem de geometria igual foram feitos com um espaçamento centro-a-centro de 200 μιη com a mesma etapa de 25 desbaste. Finalmente, uma série de 5 furos de passagem com diâmetro de 40 μηι foi formada, e incluía uma etapa de remoção de rebordo de borda com diâmetro de 60 μιη. Estes foram fabricados com um espaçamento centro-a-centro de 200 μηι. As Figuras 21a, 21b são imagens SEM de furos de passagem perfurados por trepanação a laser, após o desbaste a laser associado. A Figura 21a é uma vista superior dos furos de passagem, ao passo que a Figura 21b é uma vista em seção transversal do furo. Observe o padrão de turbilhão característico apresentado na Figura 21a, formado pelo feixe de laser de varredura. O padrão de turbilhão foi provocado pelo aquecimento ío e evaporação repetidos pelo feixe de laser de varredura da poça de fusão formada pelas varreduras anteriores. Pela Figura 21b, podemos ver que a formação do rebordo foi minimizada. Furos de passagem com altura de rebordo reduzida, tal como a ilustrada na Figura 21b, são desejados para uso em aplicações de célula a combustível baseada em óxido sólido.A series of 5 through-holes with a diameter of 60 μιη were drilled with a center-to-center spacing of 1000 μηι. Again, these 60 20 μηι boreholes also incorporated an edge edge roughing step with a circle of 90 μιη diameter (laser beam waist of about 20 μηι). In addition, a series of 5 through-holes of equal geometry were drilled with a 200 μιη center-to-center spacing with the same 25 roughing step. Finally, a series of 5 through holes with a diameter of 40 μηι was formed, and included a 60 μιη diameter edge bead removal step. These were manufactured with a center-to-center spacing of 200 μηι. Figures 21a, 21b are SEM images of laser-drilled through holes after associated laser roughing. Figure 21a is a top view of the through holes, while Figure 21b is a cross-sectional view of the hole. Note the characteristic swirl pattern shown in Figure 21a, formed by the scanning laser beam. The swirl pattern was caused by repeated heating and evaporation by the fusion pool sweep laser beam formed by the previous sweeps. From Figure 21b, we can see that edge formation has been minimized. Low bore height through-holes, as shown in Figure 21b, are desired for use in solid oxide-based fuel cell applications.

Embora tenha sido utilizada uma técnica de desbaste a laser para reduzir a altura do rebordo nas amostras de eletrólito perfuradas do Exemplo 4F, outras técnicas, como a perfuração em espiral e a perfuração por percussão, também 20 apresentaram resultados promissores. Na Figura 21c e 21d, apresentamos imagens SEM de furos de passagem perfurados por percussão com um diâmetro, no lado onde incide o laser, de cerca de 40 μηι, e um diâmetro, no lado de saída do laser, de cerca de 10 μηι. A altura do rebordo h foi de cerca de 5 μηι. Outro método 25 é a técnica de perfuração em espiral. As Figuras 21e e 21f mostram imagens de furos SEM perfurados com técnica de perfuração em espiral. A altura do rebordo foi de cerca de 9 μηι, como mostra a Figura 21 f. O desbaste do rebordo, como discutido acima, ou outro aperfeiçoamento no processo poderia levar a uma diminuição na altura do rebordo.Although a laser roughing technique was used to reduce the edge height in the perforated electrolyte samples of Example 4F, other techniques such as spiral drilling and percussion drilling also showed promising results. In Figure 21c and 21d, we present SEM images of percussion-drilled through-holes with a diameter on the laser side of about 40 μηι and a diameter on the laser output side of about 10 μηι. The height of the edge h was about 5 μηι. Another method 25 is the spiral drilling technique. Figures 21e and 21f show images of SEM holes drilled with spiral drilling technique. The edge height was about 9 μηι, as shown in Figure 21 f. Edge roughing, as discussed above, or other refinement of the process could lead to a decrease in edge height.

Exemplos usando a configuração do laser psExamples using the ps laser setup

(Exemplo 5)(Example 5)

Exemplo 5Example 5

Um laser de pico-segundo foi usado para microusinar furos de passagem em placas de eletrólito. O laser ío tinha uma largura de pulso de 10 ps, um comprimento de onda de 355 nm e uma energia de pulso de no máximo 28 μJ a uma taxa de repetição de 100 kHz. O laser era capaz de uma faixa de taxa de repetição de 50 kHz a 2 MHz e uma potência máxima de 4 W. Uma lente com um comprimento focal de aproximadamente 8 cm foi usada para focalizar a luz em proximidade à placa de eletrólito. O tamanho do ponto focal foi estimado como sendo de aproximadamente 50 μιη. Logo, a fluência do laser no ponto focal foi de aproximadamente 1,4 J/cm . Uma técnica de percussão foi usada para microusinar furos de passagem no material do eletrólito. Observou-se microfissuras presentes em várias taxas de repetição de laser e combinações de potência. Tais rachaduras não são desejadas no dispositivo de célula a combustível. Não foram observadas microfissuras nos exemplos de microusinagem a laser UV apresentados previamente com fluências maiores do que 1,5 J/cm , e não serão esperadas se o laser ps tivesse fornecido níveis maiores de fluência, por exemplo, níveis de fluência similares aos proporcionados por outros exemplos (configurações ns e fs).A peak-second laser was used to micro-pass through holes in electrolyte plates. The ion laser had a pulse width of 10 ps, a wavelength of 355 nm and a pulse energy of up to 28 μJ at a repetition rate of 100 kHz. The laser was capable of a repetition rate range of 50 kHz to 2 MHz and a maximum power of 4 W. A lens with a focal length of approximately 8 cm was used to focus light near the electrolyte plate. The focal point size was estimated to be approximately 50 μιη. Therefore, the laser fluency at the focal point was approximately 1.4 J / cm. A percussion technique was used to micro-pass through holes in the electrolyte material. Microcracks present at various laser repetition rates and power combinations were observed. Such cracks are not desired in the fuel cell device. No cracks were observed in the examples of UV laser micromachining previously presented with creep greater than 1.5 J / cm, and would not be expected if the ps laser had provided higher creep levels, for example, creep levels similar to those provided by other examples (ns and fs settings).

Exemplos usando a configuração do laser fsExamples using fs laser configuration

(Exemplos 6 a 9)(Examples 6 to 9)

Nesta configuração, foi usado um sistema deIn this configuration, a system of

laser fs amplificado (1W Spectra Physics Spitfire® Pro Ultrafast Amplificador de Ti:Safira). O laser emite um trem de pulsos de 1 kHz a uma energia máxima de 1 mJ por pulso. A duração do pulso é de aproximadamente 40 fs, e a emissão do laser está ío centralizada em um comprimento de onda de 800 nm. Uma lente plano-convexa com um comprimento focal de 7,5 cm foi usada para focalizar a luz do laser em proximidade à placa de eletrólito. Com base no valor M de qualidade do feixe Gaussiano de laser de 1,4, no comprimento de onda, e num tamanho de feixe de 7 15 mm (diâmetro de feixe colimado), a cintura do feixe no ponto focal foi calculada como sendo de 15 μιη. Os ensaios de corte foram realizados abaixo do limitar de geração de luz branca, que foi verificado como sendo de 35 μΙ/pulso com esse sistema de lente. Outros sistemas de lente de comprimento focal também são 20 possíveis, tal como 3,5 cm ou outras opções. Velocidades de corte a laser de 0,5 a 2 mm/s foram alcançadas sem efeitos prejudiciais, mas a velocidade de corte foi basicamente limitada pela taxa de repetição do laser. Não foi observada nenhuma microfissura na borda microusinada.fs amplified laser (1W Spectra Physics Spitfire® Pro Ultrafast Ti Amplifier: Sapphire). The laser emits a 1 kHz pulse train at a maximum energy of 1 mJ per pulse. The pulse duration is approximately 40 fs, and laser emission is centered at a wavelength of 800 nm. A flat-convex lens with a focal length of 7.5 cm was used to focus the laser light near the electrolyte plate. Based on the Gaussian laser beam quality M value of 1.4, the wavelength, and a beam size of 715 mm (collimated beam diameter), the beam waist at the focal point was calculated to be 15 μιη. The cut tests were performed below the white light generation limit, which was found to be 35 μ / pulse with this lens system. Other focal length lens systems are also possible, such as 3.5 cm or other options. Laser cutting speeds of 0.5 to 2 mm / s were achieved without detrimental effects, but the cutting speed was basically limited by the laser repetition rate. No micro-cracks were observed at the micro-edge.

Exemplo 6 A microusinagem pode ser usada para reduzir ou eliminar efeitos de ondulação do eletrólito, inclusive a ondulação de borda que ocorre durante a sinterização. Em peças de placa de eletrólito grandes, por exemplo, de dimensão maior 5 do que IO cm de largura ou comprimento, a ondulação das bordas e outras irregularidades foram observadas durante o processo de sinterização do eletrólito. Esses efeitos tendem a ser mais pronunciados à medida que a dimensão do eletrólito aumenta. Dependendo do tamanho da placa do eletrólito, esses efeitos ío foram observados em até 4 cm dentro das bordas da placa do eletrólito. A microusinagem a laser permite que essas peças de placa de eletrólito grandes sejam superdimensionadas durante a etapa de sinterização. A microusinagem a laser pode então ser posteriormente utilizada para remover por corte essa ondulação de 15 borda excessiva, irregularidade, ou quaisquer outros defeitos que possam existir após a sinterização ou fabricação do dispositivo. Para demonstrar a capacidade de melhorar a planeza do eletrólito com a microusinagem a laser, o laser fs foi usado para remover uma largura de 2 mm da borda da placa do eletrólito. A planeza 20 da borda de uma placa de eletrólito sinterizada foi medida antes e depois da microusinagem. A Figura 22 mostra os contornos de superfície, conforme medidos por um profilômetro a laser da placa de eletrólito de aproximadamente 20 μηι de espessura antes (gráfico superior) e após (gráfico inferior) a microusinagem, isto 25 é, após cortar/remover a laser um perímetro de 2 mm de largura da borda da placa do eletrólito. A borda do eletrólito, após a sinterização, tem uma variação de altura máxima medida de 80 um, e a borda do eletrólito tem uma variação de altura máxima medida muito inferior de 40 μιη após a microusinagem a laser.Example 6 Micro-machining can be used to reduce or eliminate ripple effects of the electrolyte, including edge ripple that occurs during sintering. In large electrolyte plate parts, for example, larger than 5 cm in width or length, edge curl and other irregularities were observed during the electrolyte sintering process. These effects tend to be more pronounced as the size of the electrolyte increases. Depending on the size of the electrolyte plate, these effects were observed up to 4 cm within the edges of the electrolyte plate. Laser micromachining allows these large electrolyte plate parts to be oversized during the sintering step. Laser micro-machining can then be used to later cut off any excessive edge curl, irregularity, or any other defects that may exist after sintering or fabrication of the device. To demonstrate the ability to improve electrolyte flatness with laser micromachining, the fs laser was used to remove a 2mm width from the edge of the electrolyte plate. The flatness 20 of the edge of a sintered electrolyte plate was measured before and after micro-machining. Figure 22 shows surface contours as measured by an approximately 20 μηι electrolyte plate laser profilometer before (top graph) and after (bottom graph) micro-machining, ie after laser cutting / removing a 2 mm wide perimeter of the edge of the electrolyte plate. The electrolyte edge after sintering has a maximum measured height variation of 80 µm, and the electrolyte edge has a much lower measured maximum height variation of 40 μιη after laser micro-machining.

Exemplo 7Example 7

Para demonstrar a microusinagem a laser dosTo demonstrate laser micro-machining of

dispositivos de célula a combustível baseada em óxido sólido (dispositivos SOFC) 150, as bordas e furos de passagem foram microusinados em uma placa de eletrólito sinterizada 100 tanto para os dispositivos de 10 células quanto de 1 célula. Ambos os ío tipos de dispositivos de célula a combustível exigiam várias fileiras de furos de passagem para interconectar os eletrodos criados em ambos os lados do eletrólito. Quatro situações diferentes de fabricação do dispositivo foram demonstradas e são reveladas adiante:In solid oxide-based fuel cell devices (SOFC devices) 150, the edges and through-holes were micro-machined on a sintered electrolyte plate 100 for both 10-cell and 1-cell devices. Both types of fuel cell devices required several rows of through holes to interconnect the electrodes created on either side of the electrolyte. Four different device manufacturing situations have been demonstrated and are shown below:

1. Perfuração dos furos em placa de1. Drilling the holes in plate

eletrólito sinterizada nu, desbastada. A placa de eletrólito nu foi recebida, sendo cortada mecanicamente e sinterizada (a placa de eletrólito teve pelo menos uma dimensão maior do que a dimensão de 10 cm, que era necessária para um dispositivo de 10 20 células). O alinhamento preciso das bordas com os furos de passagem, à medida que eram perfurados, era necessário. Sendo assim, enquanto onze fileiras de furos de passagens foram microusinadas a laser na placa de eletrólito usando uma técnica de trepanação a laser (um exemplo de tal furo é apresentado na Fig. 25 23a, 23b), sua colocação foi referenciada precisamente para as bordas da placa de eletrólito cortadas mecanicamente como formadas. Para trepanação, o feixe de laser foi mantido estacionário e a placa de eletrólito sinterizada 100 foi movida ao longo de uma trajetória circular. A geometria dos furos de passagem (circular) era similar à ilustrada nas Figuras 23a e 23b.bare sintered electrolyte, roughened. The bare electrolyte plate was received, being mechanically cut and sintered (the electrolyte plate was at least one dimension larger than the 10 cm dimension that was required for a 10 20 cell device). Accurate alignment of the edges with the through holes as they were drilled was required. Thus, while eleven rows of passage holes were laser micro-machined on the electrolyte plate using a laser trepanning technique (an example of such a hole is shown in Fig. 25 23a, 23b), its placement was precisely referenced to the edges. of electrically cut electrolyte plate as formed. For trepanning, the laser beam was kept stationary and the sintered electrolyte plate 100 was moved along a circular path. The geometry of the through holes (circular) was similar to that illustrated in Figures 23a and 23b.

A velocidade de corte foi limitada pela baixa taxa de repetição da fonte de laser. Com base na Figura 23a e na Figura 23b, podemos ver que a qualidade do furo de passagem 102 é excelente. Restaram algumas fissuras anulares 118 no lado posterior do furo de passagem 102 presumivelmente devido àsThe cutting speed was limited by the low repetition rate of the laser source. Based on Figure 23a and Figure 23b, we can see that the quality of the through hole 102 is excellent. Some annular cracks 118 remained in the rear side of the through hole 102 presumably due to the

ΛΛ

ondas de choque geradas durante o processo de ablação a laser. A potência média superior de cerca de 35 mW, as fissuras anulares podem ser eliminadas. Com uma velocidade de corte de 0,5 mm/s, os furos de passagem de 60 μιη de diâmetro 102 foram cortados a laser em geralmente 2 passes com uma energia de 30 μ J/pulso e 15 um nível de fluência de 17 J/cm . A fabricação do dispositivo de 10 células foi então completada, incluindo as etapas de formar o anodo, catodo, coletor de corrente, condutores de passagem e estruturas de barra coletora.shockwaves generated during the laser ablation process. At a higher average power of about 35 mW, annular cracks can be eliminated. With a cutting speed of 0.5 mm / s, the 60 μιη bore holes 102 diameter were laser cut in generally 2 passes with an energy of 30 μ J / pulse and 15 a creep level of 17 J / cm. Fabrication of the 10-cell device was then completed, including the steps of forming the anode, cathode, current collector, through conductors, and busbar structures.

A amostra específica apresentada nas Figuras 20 23a e 23b foi microusinada usando o laser fs, mas com uma energia de pulso de 7 μΙ/pulso e um nível de fluência de 4 J/cm . Em contrapartida, os dispositivo de 10 células e 1 célula reais 150 descritos previamente possuíam furos de passagem microusinados a laser usando o mesmo laser fs mas a 30 μJ/pulso e um nível deThe specific sample shown in Figures 20 23a and 23b was micro-cast using the fs laser but with a pulse energy of 7 μΙ / pulse and a creep level of 4 J / cm. In contrast, the 10-cell and 1 real-cell 150 devices previously described had laser micro-machined through holes using the same fs laser but at 30 μJ / pulse and a level of

____

fluência de 17 J/cm . Essas energias de pulso e níveis de fluência superiores reduziram a formação de fissuras anulares e apenas 2 passes foram necessários para usinar um furo de passagem com a mesma geometria circular. Embora tenham sido microfissurascreep 17 J / cm. These higher pulse energies and creep levels reduced annular crack formation and only 2 passes were required to machine a through hole with the same circular geometry. Although they were micro cracks

ΛΛ

quando a fluência do laser fs foi de 4 J/cm , os exemplos de microusinagem a laser no infravermelho próximo-visível anteriores apresentados com fluências maiores do que 4 J/cm2 não apresentaram microfissuras observáveis.when the fs laser creep was 4 J / cm, the previous near-visible infrared laser micromachining examples presented with creep greater than 4 J / cm2 showed no observable microfissures.

2. Desbaste a laser e perfuração dos furos em placas de eletrólito superdimensionadas sinterizadas Recebemos uma placa de eletrólito sinterizada nu que foi ío dimensionada maior do que o necessário para um dispositivo de células. Em uma concretização, as dimensões da placa de eletrólito foram de 12 cm x 15 cm. Tanto as 11 fileiras de furos de passagem quanto o perímetro do dispositivo foram microusinados a laser usando um laser de 800 nm. Uma vez que a placa do eletrólito foi superdimensionada, não foi necessário nenhum alinhamento preciso para as bordas assim formadas. Portanto, apenas o alinhamento geral foi necessário. Aproximadamente 1 cm a 1,5 cm foi removido (microusinado) das bordas da placa do eletrólito durante o corte do perímetro a laser de precisão, e os furos de passagem foram alinhados precisamente às bordas cortadas/microusinadas do perímetro. A Figura 24a mostra imagens SEM das bordas que foram cortadas mecanicamente no estado bruto e então sinterizadas, e imagens de bordas que foram sinterizadas e então cortadas com o laser de femtosegundo (vide a Figura 24b). A qualidade das superfícies de borda produzidas foi similar à apresentada na Figura 24b. A Figura 24a mostra, para comparação, uma seção transversal da placa de eletrólito sinterizada e cortada mecanicamente (enquanto no estado bruto). As medições das dimensões gerais de comprimento e largura do eletrólito microusinado a laser apresentaram uma variação de amostra-para-amostra limitada pelo erro de medição de menos de ± 0,04%. A fabricação do dispositivo de 10 células foi então completada, incluindo as etapas de formar o anodo, catodo, coletor de corrente, condutores de passagem e estruturas de barra coletora. Em um exemplo de previsão, o eletrólito de 30 cm de ío comprimento é produzido com furos de passagem possuindo um erro de registro de via-para-via de menos de 50 micra. Esse exemplo demonstra o perfil de borda e as características de morfologia das bordas sinterizadas e cortadas a laser. As bordas usinadas a laser sinterizadas, tal como as ilustradas na Figura 24b, possuem uma rugosidade RMS de cerca de 0,4 a 0,8 μιη. No caso do corte a laser de femtosegundo dos eletrólitos, os efeitos térmicos observados foram tão pequenos que o eletrólito poderia ser cortado (perfurado) sem fissuras. A recristalização do material vaporizado e fundido resulta no crescimento dos grânulos cristalinos, similar ao ilustrado na Figura 24b. O tamanho dos2. Laser roughing and drilling of holes in oversized sintered electrolyte plates We received a bare sintered electrolyte plate that was sized larger than needed for a cell device. In one embodiment, the electrolyte plate dimensions were 12 cm x 15 cm. Both 11 rows of through holes and the perimeter of the device were laser micro-machined using an 800 nm laser. Since the electrolyte plate was oversized, no precise alignment was required for the edges thus formed. Therefore, only overall alignment was required. Approximately 1 cm to 1.5 cm was removed (micro-machined) from the edges of the electrolyte plate during precision laser perimeter cutting, and the through-holes were precisely aligned to the cut / micro-machined edges of the perimeter. Figure 24a shows SEM images of the edges that were cut mechanically in the raw state and then sintered, and images of edges that were sintered and then cut with the femtosecond laser (see Figure 24b). The quality of the produced edge surfaces was similar to that shown in Figure 24b. Figure 24a shows for comparison a cross section of the mechanically cut sintered electrolyte plate (while in the raw state). Measurements of the overall length and width dimensions of the laser micro-electrolyte electrolyte showed a sample-to-sample variation limited by measurement error of less than ± 0.04%. Fabrication of the 10-cell device was then completed, including the steps of forming the anode, cathode, current collector, through conductors, and busbar structures. In a prediction example, the 30 cm long electrolyte is produced with through holes having a track-to-track register error of less than 50 microns. This example demonstrates the edge profile and morphological characteristics of sintered and laser cut edges. Sintered laser machined edges, such as those illustrated in Figure 24b, have an RMS roughness of about 0.4 to 0.8 μιη. In the case of femtosecond laser cutting of the electrolytes, the observed thermal effects were so small that the electrolyte could be cut (perforated) without cracking. Recrystallization of the vaporized and molten material results in the growth of crystalline granules, similar to that illustrated in Figure 24b. The size of the

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grânulos cristalinos é menor do que 1 μιη (Figure 24b). A mesma velocidade de corte, o aumento da fluência do laser irá resultar no crescimento do tamanho dos grânulos cristalinos.crystalline granules is smaller than 1 μιη (Figure 24b). At the same cutting speed, increased laser creep will result in the growth of crystalline granule size.

3. Perfuração de furos a laser para múltiplos dispositivos em um substrato de placa de eletrólito superdimensionada sinterizada, com corte e separação subseqüente das placas de eletrólito perfuradas correspondendo a esses dispositivos Uma dimensão de placa de eletrólito nu grande > 10 cm foi cortada mecanicamente e sinterizada. Agrupamentos múltiplos de 2 fileiras de furos de 5 passagem, cada um correspondendo a um dispositivo de 1 célula, foram perfurados/microusinados a laser na placa de eletrólito grande e múltiplas seções da placa de eletrólito, cada uma correspondendo a um dispositivo de 1 célula diferente, com uma dimensão < 5 cm, foram microusinadas a laser para fora da placa ío de eletrólito grande. Dessa forma, as 2 fileiras de furos de passagem e os perímetros de placa de eletrólito correspondendo a cada dispositivo de combustível foram microusinados a laser, e as vias e bordas microusinadas foram alinhados precisamente uma com as outras. A fabricação do dispositivo de 1 células foi então 15 completada em cada placa de eletrólito separada, incluindo as etapas de formar o anodo, catodo, coletor de corrente, condutores de passagem e estruturas de barra coletora.3. Multi-device laser hole drilling in a sintered oversized electrolyte plate substrate, with subsequent cutting and separation of the perforated electrolyte plates corresponding to these devices A large bare electrolyte plate size> 10 cm was mechanically cut and sintered . Multiple groups of 2 rows of 5-pass holes, each corresponding to a 1-cell device, were drilled / laser micro-machined on the large electrolyte plate and multiple sections of the electrolyte plate, each corresponding to a different 1-cell device. , <5 cm in size, were laser micro-machined out of the large electrolyte plate. Thus, the 2 rows of through holes and the electrolyte plate perimeters corresponding to each fuel device were laser micro-machined, and the micro-machined pathways and edges were precisely aligned with each other. Fabrication of the 1-cell device was then completed on each separate electrolyte plate, including the steps of forming anode, cathode, current collector, through conductors, and busbar structures.

4. Fabricação de múltiplos dispositivos em uma única placa de eletrólito superdimensionada Uma placa de eletrólito grande foi cortada4. Fabrication of Multiple Devices on a Single Oversized Electrolyte Plate A large electrolyte plate has been cut.

mecanicamente e então sinterizada. Essa placa de eletrólito teve pelo menos uma dimensão maior do que 10 cm. Vários padrões de anodo para uma multiplicidade de dispositivos de 1 célula foram impressos previamente e sinterizados em uma superfície da 25 placa de eletrólito recebida. A microusinagem da placa de eletrólito sinterizada foi utilizada para perfurar múltiplos conjuntos de duas fileiras de furos de passagem 102 (cada conjunto correspondendo a um dispositivo de célula a combustível diferente) e os perímetros dos dispositivos de 1 célula (com dimensões < 5 cm). Os detalhes microusinados a 5 laser foram alinhados precisamente com as camadas de anodo previamente fabricadas. As placas de eletrólito cortadas a laser resultantes (correspondendo a dispositivos de 1 célula) incorporaram tanto o padrão de anodo fabricado anteriormente quanto um padrão de furos de passagem alinhado. A fabricação ío do dispositivo de 1 células foi então completada, incluindo as etapas de formar o catodo, coletor de corrente, condutores de passagem e estruturas de barra coletora.mechanically and then sintered. This electrolyte plate had at least a dimension larger than 10 cm. Various anode patterns for a multiplicity of 1-cell devices were preprinted and sintered on a surface of the received electrolyte plate. Micro machining of the sintered electrolyte plate was used to drill multiple sets of two rows of through holes 102 (each set corresponding to a different fuel cell device) and the perimeters of the 1 cell devices (<5 cm in size). The micro laser machined details were precisely aligned with the previously fabricated anode layers. The resulting laser cut electrolyte plates (corresponding to 1-cell devices) incorporated both the previously fabricated anode pattern and an aligned through-hole pattern. Fabrication of the 1-cell device was then completed, including the steps of forming the cathode, current collector, through conductors, and busbar structures.

Segue um processo exemplificativo para fabricação de múltiplos dispositivos de célula a combustível baseada em óxido sólido em uma única placa de eletrólito baseada em zircônio superdimensionada:The following is an exemplary process for manufacturing multiple solid oxide-based fuel cell devices on a single oversized zirconium-based electrolyte plate:

a. Sinterizar uma placa de eletrólito bruta (The. Sinter a raw electrolyte plate (

T~1450°C);(~ 1450 ° C);

b. Imprimir anodos e outras camadas à medida que necessário e sinterizar (T~1350°C);B. Print anodes and other layers as needed and sinter (T ~ 1350 ° C);

c. Perfurar a laser os furos de passagem;ç. Laser drill through holes;

d. Preencher os furos de passagem com material de via condutora e sinterizar (T~1250°C);d. Fill the through-holes with conductive track material and sinter (T ~ 1250 ° C);

e. Imprimir outras camada (por exemplo, catodos), e sinterizar (T~1200°C); f. Imprimir barras coletoras, etc., e sinterizarand. Print other layers (eg cathodes), and sinter (T ~ 1200 ° C); f. Print pickup bars, etc., and sinter

(T-750-IOOO0C);(T-750-1000 ° C);

g. Cortar cada dispositivo de célula a combustível (completado pelo menos parcialmente) porg. Cut each fuel cell device (at least partially completed) by

microusinagem a laser após a última etapa de sinterização.laser micromachining after the last sintering step.

Nota-se que a fabricação começa com temperaturas de sinterização mais elevadas e prossegue para temperaturas de sinterização progressivamente inferiores.Note that manufacturing begins with higher sintering temperatures and proceeds to progressively lower sintering temperatures.

Exemplo 8Example 8

ío A resistência de borda do eletrólito baseado emThe edge resistance of the electrolyte based on

zircônia é de grande importância em algumas aplicações. Para demonstrar a resistência obtida pelas bordas microusinadas a laser, testes de curvatura de 2 pontos entre placas paralelas foram realizados com amostras de eletrólito de aproximadamente 2 cm x 15 8 cm. A resistência das amostras cortadas mecanicamente e sinterizadas foi medida como referência. As amostras cortadas mecanicamente foram medidas com a superfície mais uniforme que foi moldada contra o suporte de Teflon experimentando força de tração. As amostras com as bordas microusinadas foram 20 testadas com o lado de incidência do laser tanto na configuração de esforço de tração quanto de compressão. A Figura 25 ilustra a resistência das bordas cortadas a laser (microusinadas), comparado às bordas cortadas mecanicamente. Mais especificamente, a Figura 25 mostra os gráficos de probabilidade 25 de distribuição de Weibull da resistência de curvatura medida. Sob um conjunto de condições, tanto as configurações de tensão quanto de compressão do lado de incidência do laser apresentam distribuições de resistência similares ao eletrólito mecanicamente cortado e sinterizado. No entanto, um segundo conjunto de amostras que experimentaram uma força de vácuo aumentada 5 durante a microusinagem apresentou uma resistência muito superior quando o lado de incidência do laser estava sob compressão. Essas amostras com resistência superior tinham um canal de vácuo retendo o eletrólito em sua posição durante o corte. O canal de vácuo (vide a Figura 8) estava alinhado no lado ío do eletrólito oposto à energia incidente do laser, e a força do vácuo estava empurrando o eletrólito para longe da energia incidente do laser. Um resultado imprevisto é que a placa de eletrólito cortada com o laser fs sob essas condições pode apresentar maior resistência do que em qualquer das outras 15 amostras cortadas mecanicamente ou cortadas a laser, maior do que 2 GPa, 2,7 GPa, e até mesmo chegando a 3 GPa, comparado à resistência típica de aproximadamente 1,0 a 1,5 GPa. As partes de maior resistência foram cortadas enquanto um vácuo foi aplicado à placa de eletrólito 100 via canal(is) de vácuo 165 20 durante o processo de corte, empurrando a placa de eletrólito 100 para baixo, para longe do laser durante o corte.Zirconia is of great importance in some applications. To demonstrate the resistance obtained by laser micro-machined edges, 2-point bend tests between parallel plates were performed with approximately 2 cm x 15 8 cm electrolyte samples. The resistance of mechanically cut and sintered samples was measured as a reference. The mechanically cut samples were measured with the most uniform surface that was molded against the Teflon support experiencing tensile strength. Samples with micro-fined edges were tested with the laser incidence side in both tensile and compressive stress configuration. Figure 25 illustrates the strength of laser cut edges (micro-machined) compared to mechanically cut edges. More specifically, Figure 25 shows Weibull distribution probability graphs 25 of the measured curvature resistance. Under a set of conditions, both the laser incident incidence side and stress configurations exhibit resistance distributions similar to the mechanically cut and sintered electrolyte. However, a second set of samples that experienced an increased vacuum force 5 during micro-machining had much higher strength when the laser incident side was under compression. These higher strength samples had a vacuum channel retaining the electrolyte in position during cutting. The vacuum channel (see Figure 8) was aligned on the ion side of the electrolyte opposite the incident laser energy, and the vacuum force was pushing the electrolyte away from the incident laser energy. An unexpected result is that the electrolyte plate cut with the fs laser under these conditions may have greater strength than any of the other 15 mechanically cut or laser cut samples, larger than 2 GPa, 2.7 GPa, and even 3 GPa, compared to the typical resistance of approximately 1.0 to 1.5 GPa. The highest strength parts were cut while a vacuum was applied to the electrolyte plate 100 via vacuum channel (s) 165 20 during the process. cutting by pushing the electrolyte plate 100 down away from the laser during cutting.

Uma observação geral das amostras microusinadas a laser de femtosegundo é que os resíduos em volta da área microusinada foram significativamente menores, em comparação com as amostras microusinadas a laser de nanosegundo. As partes usinadas a laser de femtosegundo exibem uma morfologia de superfície única que apresenta ablação essencialmente completa sem fratura substancial e crescimento granular limitado (por exemplo, o tamanho de grânulo no eletrodo 3YZ foi menor do que 2 μιη, e tipicamente menor do que 1 μιη).A general observation of the femtosecond laser micro-specimens is that the residues around the micro-machined area were significantly smaller compared to the nanosecond laser micro-specimens. The femtosecond laser machined parts exhibit a single surface morphology that exhibits essentially complete ablation without substantial fracture and limited granular growth (eg, the 3YZ electrode bead size was less than 2 μιη, and typically less than 1 μιη ).

Supõe-se que a resistência excepcionalmente alta das bordas da placa de eletrólito esteja associada a essa morfologia única. Uma placa de eletrólito com uma superfície de borda microusinada a laser exibindo 100% de ablação e/ou tamanho de grânulo de mais de 0,2 micra, mas menor do que 2 micra, é preferida para ío otimização da resistência.The exceptionally high strength of the edges of the electrolyte plate is assumed to be associated with this unique morphology. An electrolyte plate with a laser micro-edge edge surface exhibiting 100% ablation and / or granule size of more than 0.2 microns but less than 2 microns is preferred for resistance optimization.

Exemplos 9a e 9b Padronização daExamples 9a and 9b Standardization of

Superfície.Surface.

Exemplo 9a. Esse exemplo demonstra o uso da ablação a laser para padronização da superfície de placas de eletrólito. Outra aplicação identificada da microusinagem a laser do eletrólito é para manipular a superfície de zircônia para produzir padrões rugosos, texturizados ou micro-janelados. A microusinagem a laser parcialmente através da placa de eletrólito 100 permite a usinagem de superfície que pode não ser possível por técnicas de moldagem ou colagem. Por exemplo, as técnicas de moldagem ou colagem necessitam de uma espessura mínima do eletrólito no eletrólito não-queimado para sobreviver a sua liberação do suporte de Teflon. Em algumas aplicações, prefere- se que o eletrólito nu sinterizado tenha uma espessura mínima para sobreviver à manipulação como um filme independente. Por exemplo, um eletrólito com uma espessura de cerca de 20 μιη pode ser microusinada a laser após as camadas de eletrodo terem sido fabricadas sobre ela. As Figuras 26a a 26c ilustram um substrato de eletrólito de 20 μιη de espessura com uma camada de anodo de 5 μηι queimada fabricada em um lado. Como mostrado, 5 a microusinagem a laser é usada para remover parcialmente a camada de eletrólito produzindo uma espessura de janela (padrões de placa de eletrólito 105) de menos de 5 μηι, o que geralmente não pode ser produzido em uma placa de eletrólito independente ou autônoma. Neste caso, a camada de anodo ío existente fornece a resistência mecânica necessária para sobreviver à manipulação. Uma camada de catodo é então fabricada no lado oposto para completar o dispositivo de célula a combustível. Os detalhes microusinados constituem uma porcentagem significativa da área sob os eletrodos, de preferência 15 maior do que cerca de 25%, e mais preferencialmente, maior do que cerca de 40%. Os padrões podem ter um relevo (profundidade) maior do que 5 μηι, ou, de preferência, maior do que 30% e mais preferencialmente maior do que 50% da espessura da placa de eletrólito. O método da presente invenção é 20 especialmente aplicável para uso com placas de eletrólito com espessura geral <100 μιη e de preferência <30 μηι, mais preferencialmente menor do que cerca de 20 μιη, embora possa ser utilizado com placas de eletrólito muito mais finas, de até mesmo 3 ou 5 μιη. O método descrito também é aplicável ao 25 corte a laser, perfuração a laser e usinagem de superfície da placa de eletrólito após as camadas adicionais terem sido aplicadas. Exemplo 9b. Esse exemplo também demonstra o uso da ablação a laser para padronização da superfície de placas de eletrólito. A microusinagem a laser da superfície do eletrólito com o sistema de laser fs foi usada para criar um padrão de matriz IOx 10 de quadrados de 50 μιη de largura. O espaçamento entre os quadrados também foi de aproximadamente 50 μιη. Cada quadrado foi criado varrendo a energia do laser para um total de varreduras de linha desviadas em 5 μιη cada uma. O comprimento focai da lente foi de 35 mm e a potência do laser foi de 4 mW. As Figuras 27a a 27d mostram dados de microscópio óptico, assim como dados interferométricos ópticos dos detalhes microusinados. A Figura 27a mostra uma seção do padrão de matriz 10x10, como visto com um microscópio óptico. O ligeiro arredondamento e aumento de dois dos cantos de cada quadrado é visível. Isso se deve à persistência do laser nesses pontos durante o início e parada de cada ciclo de varredura. A profundidade média dos quadrados é de 4,0 um ±0,1 um, e a imagem de profundidade do interferômetro óptico é apresentada na Figura 27b. As Figuras 27c e 27d mostram imagens de interferômetro óptico na parte inferior de cada detalhe quadrado sobre uma área de 0,04 mm χ 0,04 mm. Como mostrado, a trajetória da varredura do laser é observável. Os valores de rugosidade médios para essas superfícies microusinadas a laser foram de 4,88 um ± 1,22 μηι (pico-vale), 0,35 um ± 0,04 μηι (rms) e 0,26 um ± 0,02 um (Ra). Para comparação, os valores para a superfície não usinada do eletrólito são 1,231 um ± 0,377 μπι (pico-vale), 0,046 um ± 0,001 μιη (rms), 0,034 um ± 0,001 μm (Ra).Example 9a. This example demonstrates the use of laser ablation for electrolyte plate surface standardization. Another identified application of electrolyte laser micromachining is to manipulate the zirconia surface to produce rough, textured or micro-windowed patterns. Partially laser machining through the electrolyte plate 100 allows surface machining that may not be possible by molding or gluing techniques. For example, molding or bonding techniques require a minimum electrolyte thickness in the unburned electrolyte to survive its release from the Teflon support. In some applications, it is preferred that the sintered bare electrolyte be of minimum thickness to survive manipulation as a standalone film. For example, an electrolyte with a thickness of about 20 μιη may be laser micro-machined after the electrode layers have been fabricated onto it. Figures 26a to 26c illustrate a 20 μιη thick electrolyte substrate with a burnt 5 μηι anode layer fabricated on one side. As shown, 5 laser micro-machining is used to partially remove the electrolyte layer producing a window thickness (electrolyte plate standards 105) of less than 5 μηι, which generally cannot be produced on a standalone or electrolyte plate. autonomous. In this case, the existing anode layer provides the mechanical strength necessary to survive manipulation. A cathode layer is then fabricated on the opposite side to complete the fuel cell device. The micro-machined details constitute a significant percentage of the area under the electrodes, preferably greater than about 25%, and more preferably greater than about 40%. The patterns may have a relief (depth) greater than 5 μηι, or preferably greater than 30% and more preferably greater than 50% of the electrolyte plate thickness. The method of the present invention is especially applicable for use with electrolyte plates having an overall thickness <100 μιη and preferably <30 μηι, more preferably less than about 20 μιη, although it may be used with much thinner electrolyte plates, of even 3 or 5 μιη. The method described is also applicable to laser cutting, laser drilling and surface machining of the electrolyte plate after the additional layers have been applied. Example 9b. This example also demonstrates the use of laser ablation for electrolyte plate surface standardization. Laser micromachining of the electrolyte surface with the fs laser system was used to create an IOx 10 matrix pattern of 50 μιη wide squares. The spacing between squares was also approximately 50 μιη. Each square was created by scanning the laser energy for a total of offset line scans of 5 μιη each. The focal length of the lens was 35 mm and the laser power was 4 mW. Figures 27a to 27d show optical microscope data as well as optical interferometric data of micro-machined details. Figure 27a shows a section of the 10x10 matrix pattern as seen with an optical microscope. The slight rounding and enlarging of two of the corners of each square is visible. This is due to the laser persistence at these points during the start and stop of each scan cycle. The average depth of squares is 4.0 µm ± 0.1 µm, and the optical interferometer depth image is shown in Figure 27b. Figures 27c and 27d show optical interferometer images at the bottom of each square detail over an area of 0.04 mm χ 0.04 mm. As shown, the laser scan path is observable. The average roughness values for these laser-machined surfaces were 4.88 µm ± 1.22 μηι (peak-valley), 0.35 µm ± 0.04 μηι (rms) and 0.26 µm ± 0.02 µm. (Frog). For comparison, the values for the non-machined surface of the electrolyte are 1.231 µm ± 0.377 μπι (peak-valley), 0.046 µm ± 0.001 μιη (rms), 0.034 µm ± 0.001 μm (Ra).

O método inventivo é aplicável a dispositivos de célula a combustível, e, de forma específica, ao processo de fabricação e projeto de múltiplas células suportado em eletrólito. O método é especialmente aplicável à fabricação de dispositivos de célula a combustível que se baseiam em múltiplas células fabricadas em um substrato de eletrólito comum e interconectadas através de vias condutoras. Uma vez que, de acordo com um aspecto da presente invenção, a microusinagem a laser (por exemplo, perfuração dos furos e acabamento do eletrólito) é realizada após a sinterização, a microusinagem a laser é particularmente útil para o processamento de dispositivos grandes com dimensão superior a 30 cm, em que o processamento da cerâmica no estado não queimado exigiria controle de encolhimento extremamente estrito. Uma vantagem do método da presente invenção é o aumento no rendimento de fabricação do dispositivo, na velocidade de produção e no desempenho.The inventive method is applicable to fuel cell devices, and specifically to the electrolyte supported multiple cell manufacturing and design process. The method is especially applicable to the manufacture of multi-cell fuel cell devices manufactured on a common electrolyte substrate and interconnected via conductive pathways. Since, according to one aspect of the present invention, laser micro-machining (e.g. hole drilling and electrolyte finishing) is performed after sintering, laser micro-machining is particularly useful for processing large sized devices. greater than 30 cm, where processing of the unburned ceramic would require extremely strict shrinkage control. An advantage of the method of the present invention is the increase in device manufacturing throughput, production speed and performance.

Ficará evidente aos versados na técnica a possibilidade de se efetuar várias modificações e variações na presente invenção sem divergir da essência ou âmbito desta. Sendo assim, pretende-se que a presente invenção abranja as modificações e variações desta invenção, contanto que estejam dentro do âmbito das reivindicações anexas e seus equivalentes.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations may be made to the present invention without departing from its essence or scope. Accordingly, it is intended that the present invention encompass the modifications and variations of this invention as long as they are within the scope of the appended claims and their equivalents.

Claims (15)

1. Placa de eletrólito sinterizada, caracterizada por compreender: um corpo cuja espessura não passa de 45 μιη, e ao menos um detalhe usinado a laser com pelo menos uma superfície de borda tendo ao menos 10% de ablação.1. A sintered electrolyte plate, comprising: a body of a thickness not exceeding 45 μιη, and at least one laser-machined detail with at least one edge surface having at least 10% ablation. 2. Placa de eletrólito, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a referida pelo menos uma superfície de borda tem mais de 50% de fratura e menos de 50% de ablação.Electrolyte plate according to claim 1, characterized in that said at least one edge surface has more than 50% fracture and less than 50% ablation. 3. Placa de eletrólito, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a referida placa de eletrólito é baseada em zircônia e inclui uma borda microusinada, e a concentração relativa de zircônio na borda microusinada é maior do que em outra área que está localizada na superfície da placa de eletrólito mais distante da borda microusinada a laser.Electrolyte plate according to claim 1, characterized in that said electrolyte plate is based on zirconia and includes a micro-boundary edge, and the relative concentration of zirconium on the micro-boundary edge is higher than in another area that It is located on the surface of the electrolyte plate farthest from the laser micro-edge. 4. Placa de eletrólito, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a referida placa de eletrólito tem uma superfície microusinada a laser e a superfície microusinada a laser tem tamanho de grânulo de cristal de menos de 1 mícron.Electrolyte plate according to claim 1, characterized in that said electrolyte plate has a laser micro-machined surface and the laser micro-machined surface has a crystal bead size of less than 1 micron. 5. Dispositivo de célula a combustível incluindo a placa de eletrólito de acordo com a reivindicação 1, e pelo menos um par de anodo e catodo, caracterizado pelo fato de que os referidos detalhes são furos de passagem com diâmetros menores do que 75 micra.Fuel cell device including the electrolyte plate according to claim 1, and at least one anode and cathode pair, characterized in that said details are through-holes with diameters of less than 75 microns. 6. Dispositivo de célula a combustível, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por ter uma repetibilidade de registro de furos de passagem de parte-a-parte menor do que +/- 200 micra.Fuel cell device according to Claim 5, characterized in that it has a repeatable through-hole registration repeatability of less than +/- 200 microns. 7. Eletrólito, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por ter uma resistência de borda maior do que 1,8 GPa.Electrolyte according to claim 1, characterized in that it has an edge resistance greater than 1.8 GPa. 8. Placa de eletrólito, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a referida placa de eletrólito é uma placa de eletrólito baseada em zircônia com pelo menos uma superfície de borda exibindo 100% de ablação e crescimento granular na superfície da borda que sofreu ablação, sendo que o tamanho de grânulo da superfície da borda que sofreu ablação é menor do que 2 μιη.Electrolyte plate according to claim 1, characterized in that said electrolyte plate is a zirconia-based electrolyte plate with at least one edge surface exhibiting 100% ablation and granular growth on the edge surface. ablated, where the granule size of the ablated edge surface is less than 2 μιη. 9. Método de microusinagem de uma placa de eletrólito, caracterizado por compreender: (i) suportar uma placa de eletrólito sinterizada; (ii) microusinar a referida placa de eletrólito com um laser, em que o referido laser tem um comprimento de onda de menos de 2 μιη, fluência de menos de200 Joules/cm2, e taxa de repetição (RR) entre 30 Hz e 1 KHz, duração de pulso menor do que 1 μιη.Method for micro-machining an electrolyte plate, comprising: (i) supporting a sintered electrolyte plate; (ii) microplating said electrolyte plate with a laser, wherein said laser has a wavelength of less than 2 μιη, a fluency of less than 200 Joules / cm2, and a repetition rate (RR) of between 30 Hz and 1 KHz. , pulse duration less than 1 μιη. 10. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o referido laser é um laser de nanosegundo de 355 nm.Method according to claim 1, characterized in that said laser is a 355 nm nanosecond laser. 11. Método de microusinagem de uma placa de eletrólito, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o referido laser tem uma duração de pulso <1 μ5, comprimento de onda <400 nm, e: a fluência está entre 5 Joules/cm e 200 Joules/cm , taxa de repetição (RR) de pelo menos 1 KHz, e velocidade de corte >50 mm/seg.Electrolyte plate micro-machining method according to claim 10, characterized in that said laser has a pulse duration <1 μ5, wavelength <400 nm, and: creep is between 5 Joules / cm and 200 Joules / cm, repetition rate (RR) of at least 1 KHz, and cutting speed> 50 mm / sec. 12. Método de produção de múltiplos dispositivos de célula a combustível, caracterizado pelo fato de que múltiplos dispositivos de célula a combustível (i) são fabricados pelo menos parcialmente em uma única placa de eletrólito; e (ii) são cortados a laser, separando-os um do outro de acordo com o método de microusinagem da reivindicação 9.Method of producing multiple fuel cell devices, characterized in that multiple fuel cell devices (i) are manufactured at least partially on a single electrolyte plate; and (ii) are laser cut apart from each other according to the micro machining method of claim 9. 13. Método de microusinagem de uma placa de eletrólito, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o referido método inclui cortar, por microusinagem, mais de 1 mm de pelo menos um lado da placa de eletrólito, de modo a remover pelo menos uma parte da irregularidade de borda da placa de eletrólito.Method of micro-machining an electrolyte plate according to claim 9, characterized in that said method includes cutting by micro-machining more than 1 mm from at least one side of the electrolyte plate to remove at least part of the edge irregularity of the electrolyte plate. 14.Placa de eletrólito, de acordo com a reivindicação 9, caracterizada pelo fato de que a microusinagem é realizada por ablação em conjunto com a autoclivagem.Electrolyte plate according to Claim 9, characterized in that the micro-machining is performed by ablation in conjunction with self-cleavage. 15. Método de microusinagem de uma placa de eletrólito, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado por incluir uma etapa de microusinar a laser pelo menos uma camada adicional situada na referida placa de eletrólito.Method for micro-machining an electrolyte plate according to claim 11, characterized in that it includes a laser micro-machining step at least one additional layer situated on said electrolyte plate.
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